Brændselscelle- hvad er det? Hvornår og hvordan dukkede han op? Hvorfor er det nødvendigt, og hvorfor taler de så ofte om dem i dag? Hvad er dens anvendelser, karakteristika og egenskaber? Ustoppelige fremskridt kræver svar på alle disse spørgsmål!
Hvad er en brændselscelle?
Brændselscelle- er en kemisk strømkilde eller elektrokemisk generator, det er en anordning til omdannelse af kemisk energi til elektrisk energi. I det moderne liv bruges kemiske strømkilder overalt og er batterier til mobiltelefoner, bærbare computere, PDA'er, samt batterier i biler, uafbrydelige strømforsyninger mv. Det næste trin i udviklingen af dette område vil være den udbredte distribution af brændselsceller, og dette er en uigendrivelig kendsgerning.
Brændselscellers historie
Brændselscellernes historie er en anden historie om, hvordan stoffets egenskaber, engang opdaget på Jorden, fandt bred anvendelse langt i rummet, og ved årtusindskiftet vendte tilbage fra himlen til Jorden.
Det hele startede i 1839, da den tyske kemiker Christian Schönbein offentliggjorde brændselscellens principper i Philosophical Journal. Samme år designede en englænder og Oxford-kandidat, William Robert Grove, en galvanisk celle, senere kaldet Grove galvaniske celle, som også er anerkendt som den første brændselscelle. Navnet "brændselscelle" blev givet til opfindelsen i året for dens jubilæum - i 1889. Ludwig Mond og Karl Langer er forfatterne til udtrykket.
Lidt tidligere, i 1874, forudsagde Jules Verne i sin roman Den mystiske ø den nuværende energisituation, idet han skrev, at "vand en dag vil blive brugt som brændstof, brint og ilt, som det er sammensat af, vil blive brugt."
I mellemtiden blev ny strømforsyningsteknologi gradvist forbedret, og siden 50'erne af det 20. århundrede er der ikke gået et år uden annonceringen af de seneste opfindelser på dette område. I 1958 dukkede den første traktor drevet af brændselsceller op i USA, i 1959. en 5kW strømforsyning til en svejsemaskine blev frigivet mv. I 70'erne tog brintteknologien ud i rummet: flyvemaskiner og raketmotorer drevet af brint dukkede op. I 60'erne udviklede RSC Energia brændselsceller til det sovjetiske måneprogram. Buran-programmet kunne heller ikke undvære dem: alkaliske 10 kW brændselsceller blev udviklet. Og mod slutningen af århundredet krydsede brændselsceller nul højde over havets overflade - baseret på dem, strømforsyning tysk ubåd. Ved at vende tilbage til Jorden blev det første lokomotiv sat i drift i USA i 2009. Naturligvis på brændselsceller.
I hele brændselscellernes vidunderlige historie er det interessante, at hjulet stadig er en opfindelse af menneskeheden, der ikke har nogen analoger i naturen. Faktum er, at brændselsceller i deres design og funktionsprincip ligner en biologisk celle, som i virkeligheden er en miniature brint-ilt brændselscelle. Som et resultat opfandt mennesket igen noget, som naturen har brugt i millioner af år.
Driftsprincip for brændselsceller
Princippet om drift af brændselsceller er indlysende selv fra skolens kemipensum, og det var netop dette, der blev fastlagt i William Groves eksperimenter i 1839. Sagen er, at processen med vandelektrolyse (vanddissociation) er reversibel. Ligesom det er sandt, at når en elektrisk strøm føres gennem vand, så opdeles sidstnævnte i brint og ilt, så er det omvendt også tilfældet: brint og ilt kan kombineres for at producere vand og elektricitet. I Groves eksperiment blev to elektroder placeret i et kammer, hvori begrænsede portioner rent brint og oxygen blev tilført under tryk. På grund af de små mængder gas, såvel som på grund af kulstofelektrodernes kemiske egenskaber, skete der en langsom reaktion i kammeret med frigivelse af varme, vand og, vigtigst af alt, dannelsen af en potentialforskel mellem elektroderne.
Den enkleste brændselscelle består af en speciel membran, der bruges som elektrolyt, på begge sider af hvilken pulveriserede elektroder er påsat. Brint går til den ene side (anode), og ilt (luft) går til den anden (katode). Forskellige kemiske reaktioner forekommer ved hver elektrode. Ved anoden nedbrydes brint til en blanding af protoner og elektroner. I nogle brændselsceller er elektroderne omgivet af en katalysator, normalt lavet af platin eller andre ædelmetaller, der fremmer dissociationsreaktionen:
2H2 → 4H+ + 4e -
hvor H2 er et diatomisk hydrogenmolekyle (den form, hvori hydrogen er til stede som en gas); H+ - ioniseret hydrogen (proton); e - - elektron.
På katodesiden af brændselscellen rekombinerer protoner (der har passeret gennem elektrolytten) og elektroner (der er passeret gennem den eksterne belastning) og reagerer med ilten, der tilføres katoden for at danne vand:
4H+ + 4e- + O2 → 2H2O
Total reaktion i en brændselscelle skrives det sådan:
2H2 + O2 → 2H20
Driften af en brændselscelle er baseret på, at elektrolytten tillader protoner at passere gennem den (mod katoden), men det gør elektroner ikke. Elektroner bevæger sig til katoden langs et eksternt ledende kredsløb. Denne bevægelse af elektroner er en elektrisk strøm, der kan bruges til at drive en ekstern enhed forbundet til brændselscellen (en belastning, såsom en pære):
Brændselsceller bruger brintbrændstof og ilt til at fungere. Den nemmeste måde er med ilt – det tages fra luften. Brint kan tilføres direkte fra en bestemt beholder eller ved at isolere den fra en ekstern brændstofkilde (naturgas, benzin eller methylalkohol - methanol). I tilfælde af en ekstern kilde skal den omdannes kemisk for at udvinde brinten. I øjeblikket bruger de fleste brændselscelleteknologier, der udvikles til bærbare enheder, methanol.
Karakteristika for brændselsceller
de virker kun, så længe brændstoffet og oxidationsmidlet er forsynet fra en ekstern kilde (dvs. de kan ikke lagre elektrisk energi),
den kemiske sammensætning af elektrolytten ændres ikke under drift (brændselscellen skal ikke genoplades),
de er fuldstændig uafhængige af elektricitet (mens konventionelle batterier lagrer energi fra lysnettet).
Brændselsceller er analoge med eksisterende batterier i den forstand, at elektrisk energi i begge tilfælde opnås fra kemisk energi. Men der er også grundlæggende forskelle:
Hver brændselscelle skaber spænding 1V.
Højere spænding opnås ved at forbinde dem i serie. En stigning i effekt (strøm) realiseres gennem en parallelforbindelse af kaskader af serieforbundne brændselsceller. I brændselsceller
der er ingen streng begrænsning på effektiviteten, ligesom varmemotorer (effektiviteten af Carnot-cyklussen er den højest mulige effektivitet blandt alle varmemotorer med samme minimums- og maksimumstemperaturer). Høj effektivitet,
opnås gennem direkte omdannelse af brændselsenergi til elektricitet. Når dieselgeneratorsæt forbrænder brændstof først, roterer den resulterende damp eller gas en turbine eller forbrændingsmotoraksel, som igen roterer en elektrisk generator. Resultatet er en virkningsgrad på maksimalt 42 %, men oftere er den omkring 35-38 %.,
På grund af de mange forbindelser, samt på grund af termodynamiske begrænsninger på varmemotorers maksimale effektivitet, er det usandsynligt, at den eksisterende effektivitet hæves højere. Til eksisterende brændselsceller Effektiviteten er 60-80 %
Effektivitet næsten afhænger ikke af belastningsfaktoren Kapaciteten er flere gange højere
end i eksisterende batterier,
Komplet ingen miljøskadelige emissioner.
Kun ren vanddamp og termisk energi frigives (i modsætning til dieselgeneratorer, som har forurenende udstødninger og skal fjernes).
Typer af brændselsceller
Brændselsceller
klassificeret i henhold til følgende egenskaber::
alt efter det anvendte brændstof,
ved driftstryk og temperatur,
alt efter ansøgningens art.
Generelt skelnes der mellem følgende:
brændselscelletyper
Fast-oxid brændselsceller (SOFC);
Brændselscelle med en proton-udvekslingsmembran brændselscelle (PEMFC);
En type brændselscelle, der fungerer ved normale temperaturer og tryk ved hjælp af brint og oxygen, er ionbyttermembrancellen. Det resulterende vand opløser ikke den faste elektrolyt, flyder ned og fjernes let.
Brændselscelle problemer
Hovedproblemet med brændselsceller er relateret til behovet for "pakket" brint, som frit kan købes. Det er klart, at problemet skal løses over tid, men for nu rejser situationen et lille smil: hvad kommer først - hønen eller ægget? Brændselsceller er endnu ikke udviklet nok til at bygge brintfabrikker, men deres fremskridt er utænkeligt uden disse fabrikker. Her bemærker vi problemet med brintkilden.
I øjeblikket produceres brint af naturgas, men stigende energiomkostninger vil også øge prisen på brint. Samtidig er tilstedeværelsen af CO og H 2 S (hydrogensulfid) uundgåelig i brint fra naturgas, hvilket forgifter katalysatoren.
Almindelige platinkatalysatorer bruger et meget dyrt og uerstatteligt metal - platin. Dette problem planlægges dog løst ved at bruge katalysatorer baseret på enzymer, som er et billigt og letproduceret stof. Den genererede varme er også et problem. Effektiviteten vil stige kraftigt, hvis den genererede varme ledes ind i en nyttig kanal - for at producere termisk energi til varmesystemet, for at bruge den som spildvarme ved absorption
kølemaskiner
osv.
Methanol brændselsceller (DMFC): Reelle applikationer
Den største praktiske interesse i dag er direkte brændselsceller baseret på methanol (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Den bærbare Portege M100, der kører på en DMFC-brændselscelle, ser sådan ud:
Hovedopgaven er at finde muligheder for at bruge en methanolopløsning med den højeste koncentration. Problemet er, at methanol er en ret stærk gift, dødelig i doser på adskillige tiere gram. Men koncentrationen af methanol påvirker direkte driftens varighed. Hvis der tidligere blev brugt en 3-10% opløsning af methanol, så er mobiltelefoner og PDA'er med en 50% opløsning allerede dukket op, og i 2008, under laboratorieforhold, opnåede specialister fra MTI MicroFuel Cells og lidt senere Toshiba brændselsceller opererer på ren methanol.
Brændselsceller er fremtiden!
Endelig er brændselscellers åbenlyse fremtid bevist af, at den internationale organisation IEC (International Electrotechnical Commission), som fastlægger industrielle standarder for elektroniske enheder, allerede har annonceret oprettelsen af en arbejdsgruppe, der skal udvikle en international standard for miniature brændselsceller .
Videns økologi Videnskab og teknologi: Brintenergi er en af de mest effektive industrier, og brændselsceller gør det muligt at forblive på forkant med innovative teknologier.
En brændselscelle er en enhed, der effektivt producerer jævnstrøm og varme fra brintrigt brændstof gennem en elektrokemisk reaktion.
En brændselscelle ligner et batteri, idet den producerer jævnstrøm gennem en kemisk reaktion. Igen, ligesom et batteri, inkluderer en brændselscelle en anode, en katode og en elektrolyt. Men i modsætning til batterier kan brændselsceller ikke lagre elektrisk energi og aflades ikke eller kræver elektricitet for at genoplades. Brændselsceller kan kontinuerligt producere elektricitet, så længe de har tilførsel af brændstof og luft. Det korrekte udtryk til at beskrive en fungerende brændselscelle er et system af celler, da det kræver nogle hjælpesystemer for at fungere korrekt.
I modsætning til andre kraftgeneratorer, såsom forbrændingsmotorer eller turbiner drevet af gas, kul, brændselsolie osv., brænder brændselsceller ikke brændstof. Det betyder ingen støjende højtryksrotorer, ingen høj udstødningsstøj, ingen vibrationer. Brændselsceller producerer elektricitet gennem en tavs elektrokemisk reaktion. Et andet træk ved brændselsceller er, at de omdanner brændstoffets kemiske energi direkte til elektricitet, varme og vand.
Brændselsceller er yderst effektive og producerer ikke store mængder drivhusgasser som kuldioxid, metan og lattergas. De eneste emissioner fra brændselsceller er vand i form af damp og en lille mængde kuldioxid, som slet ikke frigives, hvis ren brint bruges som brændstof. Brændselsceller samles til samlinger og derefter til individuelle funktionsmoduler.
Driftsprincip for brændselsceller
Brændselsceller producerer elektricitet og varme gennem en elektrokemisk reaktion ved hjælp af en elektrolyt, en katode og en anode.
Anoden og katoden er adskilt af en elektrolyt, der leder protoner. Efter at brint strømmer til anoden og oxygen til katoden, begynder en kemisk reaktion, som følge af hvilken elektrisk strøm, varme og vand genereres. Ved anodekatalysatoren dissocierer molekylært hydrogen og taber elektroner. Hydrogenioner (protoner) ledes gennem elektrolytten til katoden, mens elektroner føres gennem elektrolytten og bevæger sig gennem et eksternt elektrisk kredsløb, hvilket skaber en jævnstrøm, der kan bruges til at drive udstyr. Ved katodekatalysatoren kombineres et oxygenmolekyle med en elektron (som forsynes fra ekstern kommunikation) og en indkommende proton og danner vand, som er det eneste reaktionsprodukt (i form af damp og/eller væske).
Nedenfor er den tilsvarende reaktion:
Reaktion ved anoden: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktion ved katoden: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O
Typer af brændselsceller
Ligesom der findes forskellige typer forbrændingsmotorer, er der forskellige typer brændselsceller – valg af den rigtige type brændselscelle afhænger af dens anvendelse.Brændselsceller er opdelt i høj temperatur og lav temperatur. Lavtemperaturbrændselsceller kræver relativt rent brint som brændstof.
Dette betyder ofte, at brændstofbehandling er påkrævet for at omdanne det primære brændstof (såsom naturgas) til rent brint. Denne proces bruger yderligere energi og kræver specielt udstyr. Højtemperaturbrændselsceller behøver ikke denne yderligere procedure, da de kan "internt konvertere" brændstoffet ved forhøjede temperaturer, hvilket betyder, at der ikke er behov for at investere i brintinfrastruktur.
Smeltet carbonat brændselsceller (MCFC).
Smeltet carbonatelektrolytbrændselsceller er højtemperaturbrændselsceller. Den høje driftstemperatur muliggør direkte brug af naturgas uden brændstofprocessor og brændstofgas med lav brændværdi fra industrielle processer og andre kilder. Denne proces blev udviklet i midten af 1960'erne. Siden da er produktionsteknologi, ydeevne og pålidelighed blevet forbedret.
Driften af RCFC adskiller sig fra andre brændselsceller. Disse celler bruger en elektrolyt fremstillet af en blanding af smeltede carbonatsalte. I øjeblikket anvendes to typer blandinger: lithiumcarbonat og kaliumcarbonat eller lithiumcarbonat og natriumcarbonat. For at smelte carbonatsalte og opnå en høj grad af ionmobilitet i elektrolytten arbejder brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt ved høje temperaturer (650°C). Effektiviteten varierer mellem 60-80%.
Ved opvarmning til en temperatur på 650°C bliver saltene en leder for carbonationer (CO32-). Disse ioner passerer fra katoden til anoden, hvor de kombineres med brint for at danne vand, kuldioxid og frie elektroner. Disse elektroner sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb tilbage til katoden og genererer elektrisk strøm og varme som et biprodukt.
Reaktion ved anoden: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reaktion ved katoden: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Generel reaktion af grundstoffet: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katode) => H2O(g) + CO2(anode)
De høje driftstemperaturer af smeltede carbonatelektrolytbrændselsceller har visse fordele. Ved høje temperaturer reformeres naturgas internt, hvilket eliminerer behovet for en brændstofprocessor. Derudover inkluderer fordele muligheden for at bruge standard byggematerialer såsom rustfri stålplader og nikkelkatalysator på elektroderne. Spildvarmen kan bruges til at generere højtryksdamp til en række industrielle og kommercielle formål.
Høje reaktionstemperaturer i elektrolytten har også deres fordele. Brugen af høje temperaturer kræver betydelig tid for at opnå optimale driftsforhold, og systemet reagerer langsommere på ændringer i energiforbruget. Disse egenskaber tillader brugen af brændselscelleinstallationer med smeltet carbonatelektrolyt under konstante strømforhold. Høje temperaturer forhindrer beskadigelse af brændselscellen ved kulilte, "forgiftning" mv.
Brændselsceller med smeltet carbonatelektrolyt er velegnede til brug i store stationære installationer. Termiske kraftværker med en elektrisk udgangseffekt på 2,8 MW er kommercielt produceret. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.
Fosforsyre brændselsceller (PAFC).
Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller var de første brændselsceller til kommerciel brug. Processen blev udviklet i midten af 1960'erne og er blevet testet siden 1970'erne. Siden da er stabilitet og ydeevne blevet øget, og omkostningerne er blevet reduceret.
Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller bruger en elektrolyt baseret på orthophosphorsyre (H3PO4) i koncentrationer op til 100%. Den ioniske ledningsevne af fosforsyre er lav ved lave temperaturer, af denne grund bruges disse brændselsceller ved temperaturer op til 150-220°C.
Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er brint (H+, proton). En lignende proces sker i protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er), hvor brint, der tilføres anoden, opdeles i protoner og elektroner. Protoner bevæger sig gennem elektrolytten og kombineres med ilt fra luften ved katoden for at danne vand. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb og genererer derved en elektrisk strøm. Nedenfor er reaktioner, der genererer elektrisk strøm og varme.
Reaktion ved anoden: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktion ved katoden: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O
Effektiviteten af brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre) er mere end 40 %, når de genererer elektrisk energi. Med kombineret produktion af varme og el er den samlede virkningsgrad omkring 85 %. Desuden kan spildvarme, givet driftstemperaturer, bruges til at opvarme vand og generere atmosfærisk trykdamp.
Den høje ydeevne af termiske kraftværker, der anvender brændselsceller baseret på fosforsyre (orthophosphorsyre) i den kombinerede produktion af termisk og elektrisk energi er en af fordelene ved denne type brændselsceller. Enhederne anvender kulilte med en koncentration på omkring 1,5 %, hvilket udvider valget af brændstof betydeligt. Derudover påvirker CO2 ikke elektrolytten og brændselscellens drift fungerer denne type celle med reformeret naturligt brændstof. Enkelt design, lav grad af elektrolytflygtighed og øget stabilitet er også fordele ved denne type brændselscelle.
Termiske kraftværker med elektrisk udgangseffekt på op til 400 kW er kommercielt produceret. De 11 MW installationer har bestået de relevante tests. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.
Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er)
Protonudvekslingsmembranbrændselsceller betragtes som den bedste type brændselscelle til at generere køretøjskraft, som kan erstatte benzin- og dieselforbrændingsmotorer. Disse brændselsceller blev først brugt af NASA til Gemini-programmet. I dag udvikles og demonstreres MOPFC-anlæg med effekt fra 1 W til 2 kW.
Disse brændselsceller bruger en solid polymermembran (en tynd film af plast) som elektrolyt. Når den er mættet med vand, tillader denne polymer protoner at passere igennem, men leder ikke elektroner.
Brændstoffet er brint, og ladningsbæreren er en hydrogenion (proton). Ved anoden opdeles brintmolekylet i en brintion (proton) og elektroner. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten til katoden, og elektroner bevæger sig rundt i den ydre cirkel og producerer elektrisk energi. Ilt, som tages fra luften, tilføres katoden og kombineres med elektroner og brintioner for at danne vand. Følgende reaktioner forekommer ved elektroderne:
Reaktion ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktion ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O
Sammenlignet med andre typer brændselsceller producerer protonudvekslingsmembranbrændselsceller mere energi for en given brændselscellevolumen eller vægt. Denne funktion giver dem mulighed for at være kompakte og lette. Derudover er driftstemperaturen mindre end 100°C, hvilket giver dig mulighed for hurtigt at komme i gang med driften. Disse egenskaber, såvel som evnen til hurtigt at ændre energiproduktionen, er blot nogle af de funktioner, der gør disse brændselsceller til en førsteklasses kandidat til brug i køretøjer.
En anden fordel er, at elektrolytten er et fast stof snarere end en væske. Det er lettere at tilbageholde gasser ved katoden og anoden ved hjælp af en fast elektrolyt, og derfor er sådanne brændselsceller billigere at producere. Sammenlignet med andre elektrolytter har faste elektrolytter ikke orienteringsproblemer og færre korrosionsproblemer, hvilket resulterer i længere levetid for cellen og dens komponenter.
Fast oxid brændselsceller (SOFC)
Fastoxidbrændselsceller er brændselscellerne med den højeste driftstemperatur. Driftstemperaturen kan variere fra 600°C til 1000°C, hvilket tillader brug af forskellige typer brændstof uden særlig forbehandling. Til at håndtere så høje temperaturer er den anvendte elektrolyt et tyndt fast metaloxid på en keramisk basis, ofte en legering af yttrium og zirconium, som er en leder af oxygenioner (O2-). Fastoxid brændselscelleteknologi har været under udvikling siden slutningen af 1950'erne. og har to konfigurationer: flad og rørformet.
Den faste elektrolyt giver en forseglet overgang af gas fra en elektrode til en anden, mens flydende elektrolytter er placeret i et porøst substrat. Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er oxygenionen (O2-). Ved katoden adskilles iltmolekyler fra luften i en iltion og fire elektroner. Oxygenioner passerer gennem elektrolytten og kombineres med brint, hvilket skaber fire frie elektroner. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, der genererer elektrisk strøm og spildvarme.
Reaktion ved anoden: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reaktion ved katoden: O2 + 4e- => 2O2-
Generel reaktion af grundstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O
Effektiviteten af den producerede elektriske energi er den højeste af alle brændselsceller - omkring 60%. Derudover giver høje driftstemperaturer mulighed for kombineret produktion af termisk og elektrisk energi til at generere højtryksdamp. Kombinationen af en højtemperaturbrændselscelle med en turbine gør det muligt at skabe en hybridbrændselscelle for at øge effektiviteten af generering af elektrisk energi med op til 70%.
Fastoxidbrændselsceller fungerer ved meget høje temperaturer (600°C-1000°C), hvilket resulterer i betydelig tid til at opnå optimale driftsforhold og en langsommere systemrespons på ændringer i energiforbruget. Ved så høje driftstemperaturer kræves der ingen konverter for at genvinde brint fra brændstoffet, hvilket gør det muligt for termiske kraftværker at fungere med relativt urene brændstoffer, der stammer fra forgasning af kul eller affaldsgasser osv. Brændselscellen er også fremragende til højeffektapplikationer, herunder industrielle og store centrale kraftværker. Moduler med en elektrisk udgangseffekt på 100 kW er kommercielt produceret.
Direkte methanoloxidationsbrændselsceller (DOMFC)
Teknologien med at bruge brændselsceller med direkte methanoloxidation gennemgår en periode med aktiv udvikling. Det har med succes bevist sig selv inden for strømforsyning til mobiltelefoner, bærbare computere samt til at skabe bærbare strømkilder. Det er det, den fremtidige brug af disse elementer sigter mod.
Designet af brændselsceller med direkte oxidation af methanol ligner brændselsceller med en protonbyttermembran (MEPFC), dvs. En polymer bruges som elektrolyt, og en hydrogenion (proton) bruges som ladningsbærer. Flydende methanol (CH3OH) oxiderer dog i nærværelse af vand ved anoden og frigiver CO2, hydrogenioner og elektroner, som sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, og derved genererer en elektrisk strøm. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten og reagerer med ilt fra luften og elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne vand ved anoden.
Reaktion ved anoden: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reaktion ved katoden: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Generel reaktion af grundstoffet: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O
Udviklingen af disse brændselsceller begyndte i begyndelsen af 1990'erne. Med udviklingen af forbedrede katalysatorer og andre nyere innovationer er effekttætheden og effektiviteten blevet øget til 40 %.
Disse elementer blev testet i temperaturområdet 50-120°C. Med lave driftstemperaturer og intet behov for en konverter er brændselsceller med direkte methanoloxidation en førsteklasses kandidat til anvendelse i både mobiltelefoner og andre forbrugerprodukter og bilmotorer. Fordelen ved denne type brændselsceller er deres lille størrelse på grund af brugen af flydende brændstof og fraværet af behovet for at bruge en konverter.
Alkaliske brændselsceller (ALFC)
Alkaliske brændselsceller (AFC) er en af de mest undersøgte teknologier, der er brugt siden midten af 1960'erne. af NASA i Apollo- og Space Shuttle-programmerne. Om bord på disse rumfartøjer producerer brændselsceller elektrisk energi og drikkevand. Alkaliske brændselsceller er en af de mest effektive celler, der bruges til at generere elektricitet, med en elproduktionseffektivitet på op til 70 %.
Alkaliske brændselsceller bruger en elektrolyt, en vandig opløsning af kaliumhydroxid, indeholdt i en porøs, stabiliseret matrix. Kaliumhydroxidkoncentrationen kan variere afhængigt af brændselscellens driftstemperatur, som spænder fra 65°C til 220°C. Ladningsbæreren i SHTE er hydroxylionen (OH-), der bevæger sig fra katoden til anoden, hvor den reagerer med brint og producerer vand og elektroner. Vandet produceret ved anoden bevæger sig tilbage til katoden og genererer igen hydroxylioner der. Som et resultat af denne række af reaktioner, der finder sted i brændselscellen, produceres elektricitet og som et biprodukt varme:
Reaktion ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktion ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Generel reaktion af systemet: 2H2 + O2 => 2H2O
Fordelen ved SHTE er, at disse brændselsceller er de billigste at producere, da den nødvendige katalysator på elektroderne kan være et hvilket som helst af de stoffer, der er billigere end dem, der bruges som katalysatorer til andre brændselsceller. Derudover fungerer SFC'er ved relativt lave temperaturer og er blandt de mest effektive brændselsceller - sådanne egenskaber kan følgelig bidrage til hurtigere strømproduktion og høj brændstofeffektivitet.
Et af de karakteristiske træk ved SHTE er dets høje følsomhed over for CO2, som kan være indeholdt i brændstof eller luft. CO2 reagerer med elektrolytten, forgifter den hurtigt og reducerer brændselscellens effektivitet kraftigt. Derfor er brugen af SHTE begrænset til lukkede rum, såsom rum- og undervandsfartøjer, de skal køre på ren brint og ilt. Desuden er molekyler som CO, H2O og CH4, som er sikre for andre brændselsceller og endda fungerer som brændstof for nogle af dem, skadelige for SHFC.
Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC)
I tilfælde af polymerelektrolytbrændselsceller består polymermembranen af polymerfibre med vandområder, hvor ledningsvandioner H2O+ (proton, rød) binder sig til et vandmolekyle. Vandmolekyler udgør et problem på grund af langsom ionbytning. Derfor kræves der en høj koncentration af vand både i brændstoffet og ved udløbselektroderne, hvilket begrænser driftstemperaturen til 100°C.
Faste sure brændselsceller (SFC)
I faste sure brændselsceller indeholder elektrolytten (CsHSO4) ikke vand. Driftstemperaturen er derfor 100-300°C. Rotationen af SO42 oxyanionerne gør det muligt for protonerne (røde) at bevæge sig som vist på figuren.
Typisk er en fast syre brændselscelle en sandwich, hvor et meget tyndt lag af fast syreforbindelse er klemt mellem to elektroder, der er tæt presset sammen for at sikre god kontakt. Når den opvarmes, fordamper den organiske komponent og kommer ud gennem porerne i elektroderne, hvilket bevarer evnen til flere kontakter mellem brændstoffet (eller ilt i den anden ende af elementerne), elektrolytten og elektroderne
| Brændselscelle type | Driftstemperatur | Effektivitet i elproduktion | Brændstoftype | Anvendelsesområde |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700°C | 50-70% | Mellemstore og store installationer | |
| FCTE | 100-220°C | 35-40% | Ren brint | Store installationer |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | Ren brint | Små installationer |
| SOFC | 450-1000°C | 45-70% | De fleste kulbrintebrændstoffer | Små, mellemstore og store installationer |
| PEMFC | 20-90°C | 20-30% | methanol | Bærbare enheder |
| SHTE | 50-200°C | 40-65% | Ren brint | Rumforskning |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | Ren brint | Små installationer |
Slut dig til os
Ligesom der findes forskellige typer forbrændingsmotorer, er der forskellige typer brændselsceller – valg af den rigtige type brændselscelle afhænger af dens anvendelse.
Brændselsceller er opdelt i høj temperatur og lav temperatur. Lav temperatur brændselsceller kræver relativt rent brint som brændstof. Dette betyder ofte, at brændstofbehandling er påkrævet for at omdanne det primære brændstof (såsom naturgas) til rent brint. Denne proces bruger yderligere energi og kræver specielt udstyr. Højtemperatur brændselsceller har ikke brug for denne yderligere procedure, da de kan udføre den "interne konvertering" af brændstoffet ved forhøjede temperaturer, hvilket betyder, at der ikke er behov for at investere i brintinfrastruktur.
Smeltet carbonat brændselsceller (MCFC)
Smeltet carbonatelektrolytbrændselsceller er højtemperaturbrændselsceller. Den høje driftstemperatur muliggør direkte brug af naturgas uden brændstofprocessor og brændstofgas med lav brændværdi fra industrielle processer og andre kilder. Denne proces blev udviklet i midten af 1960'erne. Siden da er produktionsteknologi, ydeevne og pålidelighed blevet forbedret.
Driften af RCFC adskiller sig fra andre brændselsceller. Disse celler bruger en elektrolyt fremstillet af en blanding af smeltede carbonatsalte. I øjeblikket anvendes to typer blandinger: lithiumcarbonat og kaliumcarbonat eller lithiumcarbonat og natriumcarbonat. For at smelte carbonatsalte og opnå en høj grad af ionmobilitet i elektrolytten arbejder brændselsceller med smeltet karbonatelektrolyt ved høje temperaturer (650°C). Effektiviteten varierer mellem 60-80%.
Ved opvarmning til en temperatur på 650°C bliver saltene en leder for carbonationer (CO 3 2-). Disse ioner passerer fra katoden til anoden, hvor de kombineres med brint for at danne vand, kuldioxid og frie elektroner. Disse elektroner sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb tilbage til katoden og genererer elektrisk strøm og varme som et biprodukt.
Reaktion ved anoden: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktion ved katoden: CO 2 + 1/2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Generel reaktion af grundstoffet: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katode) => H 2 O (g) + CO 2 (anode)
De høje driftstemperaturer af smeltede carbonatelektrolytbrændselsceller har visse fordele. Ved høje temperaturer reformeres naturgas internt, hvilket eliminerer behovet for en brændstofprocessor. Derudover inkluderer fordele muligheden for at bruge standard byggematerialer såsom rustfri stålplader og nikkelkatalysator på elektroderne. Spildvarmen kan bruges til at generere højtryksdamp til en række industrielle og kommercielle formål.
Høje reaktionstemperaturer i elektrolytten har også deres fordele. Brugen af høje temperaturer kræver betydelig tid for at opnå optimale driftsforhold, og systemet reagerer langsommere på ændringer i energiforbruget. Disse egenskaber tillader brugen af brændselscelleinstallationer med smeltet carbonatelektrolyt under konstante strømforhold. Høje temperaturer forhindrer beskadigelse af brændselscellen ved kulilte, "forgiftning" mv.
Brændselsceller med smeltet carbonatelektrolyt er velegnede til brug i store stationære installationer. Termiske kraftværker med en elektrisk udgangseffekt på 2,8 MW er kommercielt produceret. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.
Fosforsyre brændselsceller (PAFC)
Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller var de første brændselsceller til kommerciel brug. Processen blev udviklet i midten af 1960'erne og er blevet testet siden 1970'erne. Siden da er stabilitet og ydeevne blevet øget, og omkostningerne er blevet reduceret.
Fosforsyre (orthophosphorsyre) brændselsceller anvender en elektrolyt baseret på orthophosphorsyre (H 3 PO 4) med en koncentration på op til 100%. Den ioniske ledningsevne af fosforsyre er lav ved lave temperaturer, af denne grund bruges disse brændselsceller ved temperaturer op til 150-220°C.
Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er brint (H + , proton). En lignende proces sker i protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er), hvor brint, der tilføres anoden, opdeles i protoner og elektroner. Protoner bevæger sig gennem elektrolytten og kombineres med ilt fra luften ved katoden for at danne vand. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb og genererer derved en elektrisk strøm. Nedenfor er reaktioner, der genererer elektrisk strøm og varme.
Reaktion ved anoden: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Generel reaktion af grundstoffet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Effektiviteten af brændselsceller baseret på phosphorsyre (orthophosphorsyre) er mere end 40 %, når de genererer elektrisk energi. Med kombineret produktion af varme og el er den samlede virkningsgrad omkring 85 %. Desuden kan spildvarme, givet driftstemperaturer, bruges til at opvarme vand og generere atmosfærisk trykdamp.
Den høje ydeevne af termiske kraftværker, der anvender brændselsceller baseret på fosforsyre (orthophosphorsyre) i den kombinerede produktion af termisk og elektrisk energi er en af fordelene ved denne type brændselsceller. Enhederne anvender kulilte med en koncentration på omkring 1,5 %, hvilket udvider valget af brændstof betydeligt. Derudover påvirker CO 2 ikke elektrolytten og brændselscellens drift fungerer med reformeret naturligt brændstof. Enkelt design, lav grad af elektrolytflygtighed og øget stabilitet er også fordele ved denne type brændselscelle.
Termiske kraftværker med elektrisk udgangseffekt på op til 400 kW er kommercielt produceret. De 11 MW installationer har bestået de relevante tests. Installationer med udgangseffekt op til 100 MW er under udvikling.
Protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er)
Protonudvekslingsmembranbrændselsceller betragtes som den bedste type brændselscelle til at generere køretøjskraft, som kan erstatte benzin- og dieselforbrændingsmotorer. Disse brændselsceller blev først brugt af NASA til Gemini-programmet. I dag udvikles og demonstreres MOPFC-anlæg med effekt fra 1 W til 2 kW.
Disse brændselsceller bruger en solid polymermembran (en tynd film af plast) som elektrolyt. Når den er mættet med vand, tillader denne polymer protoner at passere igennem, men leder ikke elektroner.
Brændstoffet er brint, og ladningsbæreren er en hydrogenion (proton). Ved anoden opdeles brintmolekylet i en brintion (proton) og elektroner. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten til katoden, og elektroner bevæger sig rundt i den ydre cirkel og producerer elektrisk energi. Ilt, som tages fra luften, tilføres katoden og kombineres med elektroner og brintioner for at danne vand. Følgende reaktioner forekommer ved elektroderne:
Reaktion ved anoden: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Generel reaktion af grundstoffet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Sammenlignet med andre typer brændselsceller producerer protonudvekslingsmembranbrændselsceller mere energi for en given brændselscellevolumen eller vægt. Denne funktion giver dem mulighed for at være kompakte og lette. Derudover er driftstemperaturen mindre end 100°C, hvilket giver dig mulighed for hurtigt at komme i gang med driften. Disse egenskaber, såvel som evnen til hurtigt at ændre energiproduktionen, er blot nogle af de funktioner, der gør disse brændselsceller til en førsteklasses kandidat til brug i køretøjer.
En anden fordel er, at elektrolytten er et fast stof snarere end en væske. Det er lettere at tilbageholde gasser ved katoden og anoden ved hjælp af en fast elektrolyt, og derfor er sådanne brændselsceller billigere at producere. Sammenlignet med andre elektrolytter har faste elektrolytter ikke orienteringsproblemer og færre korrosionsproblemer, hvilket resulterer i længere levetid for cellen og dens komponenter.
Fast oxid brændselsceller (SOFC)
Fastoxidbrændselsceller er brændselscellerne med den højeste driftstemperatur. Driftstemperaturen kan variere fra 600°C til 1000°C, hvilket tillader brug af forskellige typer brændstof uden særlig forbehandling. Til at håndtere så høje temperaturer er den anvendte elektrolyt et tyndt fast metaloxid på en keramisk basis, ofte en legering af yttrium og zirconium, som er en leder af oxygenioner (O 2 -). Fastoxid brændselscelleteknologi har været under udvikling siden slutningen af 1950'erne. og har to konfigurationer: flad og rørformet.
Den faste elektrolyt giver en forseglet overgang af gas fra en elektrode til en anden, mens flydende elektrolytter er placeret i et porøst substrat. Ladningsbæreren i brændselsceller af denne type er oxygenionen (O 2 -). Ved katoden adskilles iltmolekyler fra luften i en iltion og fire elektroner. Oxygenioner passerer gennem elektrolytten og kombineres med brint, hvilket skaber fire frie elektroner. Elektronerne sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, der genererer elektrisk strøm og spildvarme.
Reaktion ved anoden: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Generel reaktion af grundstoffet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Effektiviteten af den producerede elektriske energi er den højeste af alle brændselsceller - omkring 60%. Derudover giver høje driftstemperaturer mulighed for kombineret produktion af termisk og elektrisk energi til at generere højtryksdamp. Kombinationen af en højtemperaturbrændselscelle med en turbine gør det muligt at skabe en hybridbrændselscelle for at øge effektiviteten af generering af elektrisk energi med op til 70%.
Fastoxidbrændselsceller fungerer ved meget høje temperaturer (600°C-1000°C), hvilket resulterer i betydelig tid til at opnå optimale driftsforhold og en langsommere systemrespons på ændringer i energiforbruget. Ved så høje driftstemperaturer kræves der ingen konverter for at genvinde brint fra brændstoffet, hvilket gør det muligt for termiske kraftværker at fungere med relativt urene brændstoffer, der stammer fra forgasning af kul eller affaldsgasser osv. Brændselscellen er også fremragende til højeffektapplikationer, herunder industrielle og store centrale kraftværker. Moduler med en elektrisk udgangseffekt på 100 kW er kommercielt produceret.
Direkte methanoloxidationsbrændselsceller (DOMFC)
Teknologien med at bruge brændselsceller med direkte methanoloxidation gennemgår en periode med aktiv udvikling. Det har med succes bevist sig selv inden for strømforsyning til mobiltelefoner, bærbare computere samt til at skabe bærbare strømkilder. Det er det, den fremtidige brug af disse elementer sigter mod.
Designet af brændselsceller med direkte oxidation af methanol ligner brændselsceller med en protonbyttermembran (MEPFC), dvs. En polymer bruges som elektrolyt, og en hydrogenion (proton) bruges som ladningsbærer. Flydende methanol (CH 3 OH) oxiderer dog i nærværelse af vand ved anoden, og frigiver CO 2, hydrogenioner og elektroner, som sendes gennem et eksternt elektrisk kredsløb, og derved genererer en elektrisk strøm. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten og reagerer med ilt fra luften og elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne vand ved anoden.
Reaktion ved anoden: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktion ved katoden: 3 / 2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Generel reaktion af grundstoffet: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O
Udviklingen af disse brændselsceller begyndte i begyndelsen af 1990'erne. Med udviklingen af forbedrede katalysatorer og andre nyere innovationer er effekttætheden og effektiviteten blevet øget til 40 %.
Disse elementer blev testet i temperaturområdet 50-120°C. Med lave driftstemperaturer og intet behov for en konverter er brændselsceller med direkte methanoloxidation en førsteklasses kandidat til anvendelse i både mobiltelefoner og andre forbrugerprodukter og bilmotorer. Fordelen ved denne type brændselsceller er deres lille størrelse på grund af brugen af flydende brændstof og fraværet af behovet for at bruge en konverter.
Alkaliske brændselsceller (ALFC)
Alkaliske brændselsceller (AFC) er en af de mest undersøgte teknologier, der er brugt siden midten af 1960'erne. af NASA i Apollo- og Space Shuttle-programmerne. Om bord på disse rumfartøjer producerer brændselsceller elektrisk energi og drikkevand. Alkaliske brændselsceller er en af de mest effektive celler, der bruges til at generere elektricitet, med en elproduktionseffektivitet på op til 70 %.
Alkaliske brændselsceller bruger en elektrolyt, en vandig opløsning af kaliumhydroxid, indeholdt i en porøs, stabiliseret matrix. Kaliumhydroxidkoncentrationen kan variere afhængigt af brændselscellens driftstemperatur, som spænder fra 65°C til 220°C. Ladningsbæreren i SHTE er hydroxylionen (OH -), der bevæger sig fra katoden til anoden, hvor den reagerer med brint og producerer vand og elektroner. Vandet produceret ved anoden bevæger sig tilbage til katoden og genererer igen hydroxylioner der. Som et resultat af denne række af reaktioner, der finder sted i brændselscellen, produceres elektricitet og som et biprodukt varme:
Reaktion ved anoden: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktion ved katoden: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4OH -
Generel reaktion af systemet: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O
Fordelen ved SHTE er, at disse brændselsceller er de billigste at producere, da den nødvendige katalysator på elektroderne kan være et hvilket som helst af de stoffer, der er billigere end dem, der bruges som katalysatorer til andre brændselsceller. Derudover fungerer SFC'er ved relativt lave temperaturer og er blandt de mest effektive brændselsceller - sådanne egenskaber kan følgelig bidrage til hurtigere strømproduktion og høj brændstofeffektivitet.
Et af de karakteristiske træk ved SHTE er dets høje følsomhed over for CO 2, som kan være indeholdt i brændstof eller luft. CO 2 reagerer med elektrolytten, forgifter den hurtigt og reducerer brændselscellens effektivitet kraftigt. Derfor er brugen af SHTE begrænset til lukkede rum, såsom rum- og undervandsfartøjer, de skal køre på ren brint og ilt. Desuden er molekyler som CO, H 2 O og CH 4, som er sikre for andre brændselsceller, og for nogle af dem endda fungerer som brændstof, skadelige for SHFC.
Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC)
I tilfælde af polymerelektrolytbrændselsceller består polymermembranen af polymerfibre med vandområder, hvor ledningsvandioner H2O+ (proton, rød) binder sig til et vandmolekyle. Vandmolekyler udgør et problem på grund af langsom ionbytning. Derfor kræves der en høj koncentration af vand både i brændstoffet og ved udløbselektroderne, hvilket begrænser driftstemperaturen til 100°C.
Faste sure brændselsceller (SFC)
I faste sure brændselsceller indeholder elektrolytten (C s HSO 4) ikke vand. Driftstemperaturen er derfor 100-300°C. Rotationen af oxyanionerne SO 4 2- tillader protonerne (røde) at bevæge sig som vist på figuren. Typisk er en fast syre brændselscelle en sandwich, hvor et meget tyndt lag af fast syreforbindelse er klemt mellem to elektroder, der er tæt presset sammen for at sikre god kontakt. Når den opvarmes, fordamper den organiske komponent og kommer ud gennem porerne i elektroderne, hvilket bevarer evnen til flere kontakter mellem brændstoffet (eller oxygen i den anden ende af elementet), elektrolytten og elektroderne.
| Brændselscelle type | Driftstemperatur | Effektivitet i elproduktion | Brændstoftype | Anvendelsesområde |
|---|---|---|---|---|
| RKTE | 550-700°C | 50-70% | Mellemstore og store installationer | |
| FCTE | 100-220°C | 35-40% | Ren brint | Store installationer |
| MOPTE | 30-100°C | 35-50% | Ren brint | Små installationer |
| SOFC | 450-1000°C | 45-70% | De fleste kulbrintebrændstoffer | Små, mellemstore og store installationer |
| PEMFC | 20-90°C | 20-30% | methanol | Bærbare enheder |
| SHTE | 50-200°C | 40-65% | Ren brint | Rumforskning |
| PETE | 30-100°C | 35-50% | Ren brint | Små installationer |
Nissan brint brændselscelle
Mobilelektronik forbedres hvert år og bliver mere udbredt og tilgængelig: PDA'er, bærbare computere, mobile og digitale enheder, fotorammer osv. Alle bliver hele tiden opdateret med nye funktioner, større skærme, trådløs kommunikation, stærkere processorer, samtidig med at de bliver mindre i størrelse. . Strømteknologier, i modsætning til halvlederteknologi, udvikler sig ikke med stormskridt.
De eksisterende batterier og akkumulatorer til at drive industriens resultater er ved at blive utilstrækkelige, så spørgsmålet om alternative kilder er meget akut. Brændselsceller er langt det mest lovende område. Princippet for deres drift blev opdaget tilbage i 1839 af William Grove, som genererede elektricitet ved at ændre elektrolyse af vand.
Video: Dokumentar, brændselsceller til transport: fortid, nutid, fremtid
Brændselsceller er interessante for bilfabrikanter, og rumskibsdesignere er også interesserede i dem. I 1965 blev de endda testet af Amerika på Gemini 5-rumfartøjet, der blev opsendt i rummet, og senere på Apollo. Millioner af dollars bliver stadig investeret i brændselscelleforskning i dag, hvor der er problemer forbundet med miljøforurening og stigende udledning af drivhusgasser, der genereres under forbrænding af fossile brændstoffer, hvis reserver heller ikke er uendelige.
En brændselscelle, ofte kaldet en elektrokemisk generator, fungerer på den måde, der er beskrevet nedenfor.
At være, ligesom akkumulatorer og batterier, et galvanisk element, men med den forskel, at de aktive stoffer opbevares i det separat. De leveres til elektroderne efterhånden som de bruges. Naturligt brændstof eller ethvert stof, der er opnået fra det, brænder på den negative elektrode, som kan være gasformigt (brint, for eksempel, og kulilte) eller flydende, som alkoholer. Ilt reagerer normalt ved den positive elektrode.
Men det tilsyneladende simple funktionsprincip er ikke let at omsætte til virkelighed.
DIY brændselscelle
Video: DIY brint brændselscelle
Desværre har vi ikke billeder af, hvordan dette brændstofelement skal se ud, vi stoler på din fantasi.
Du kan lave en laveffekt brændselscelle med dine egne hænder selv i et skolelaboratorium. Du skal have en gammel gasmaske, flere stykker plexiglas, alkali og en vandig opløsning af ethylalkohol (mere enkelt, vodka), som vil tjene som "brændstof" til brændselscellen.
Først og fremmest har du brug for et hus til brændselscellen, som bedst er lavet af plexiglas, mindst fem millimeter tykt. De indvendige skillevægge (der er fem rum indeni) kan gøres lidt tyndere - 3 cm For at lime plexiglas skal du bruge lim af følgende sammensætning: seks gram plexiglasspåner opløses i hundrede gram chloroform eller dichlorethan (arbejdet udføres. ud under en hætte).
Nu skal du bore et hul i ydervæggen, hvor du skal indsætte et glasafløbsrør med en diameter på 5-6 centimeter gennem en gummiprop.
Alle ved, at i det periodiske system er de mest aktive metaller i nederste venstre hjørne, og højaktive metalloider er i øverste højre hjørne af tabellen, dvs. evnen til at donere elektroner stiger fra top til bund og fra højre mod venstre. Grundstoffer, der under visse forhold kan vise sig som metaller eller metalloider, er i midten af bordet.
Nu hælder vi aktivt kul fra gasmasken i det andet og fjerde rum (mellem den første skillevæg og den anden såvel som den tredje og fjerde), som vil fungere som elektroder. For at forhindre kul i at vælte ud gennem hullerne, kan du lægge det i nylonstof (nylonstrømper til kvinder er velegnede). I
Brændstoffet vil cirkulere i det første kammer, og i det femte skal der være en iltleverandør - luft. Der vil være en elektrolyt mellem elektroderne, og for at forhindre den i at lække ind i luftkammeret, skal du gennembløde den med en opløsning af paraffin i benzin (forholdet 2 gram paraffin til et halvt glas benzin) før hældning kulstof til luftelektrolytten ind i det fjerde kammer. På kullaget skal du placere (ved let at trykke) kobberplader, hvortil ledningerne er loddet. Gennem dem vil strømmen blive afledt fra elektroderne.
Tilbage er kun at oplade elementet. Til dette har du brug for vodka, som skal fortyndes med vand 1:1. Tilsæt derefter forsigtigt tre hundrede til tre hundrede og halvtreds gram kaustisk kalium. Til elektrolytten opløses 70 gram kaliumhydroxid i 200 gram vand.
Brændselscellen er klar til test. Nu skal du samtidig hælde brændstof i det første kammer og elektrolyt i det tredje. Et voltmeter tilsluttet elektroderne skal vise fra 07 volt til 0,9. For at sikre kontinuerlig drift af elementet er det nødvendigt at fjerne brugt brændsel (dræne i et glas) og tilføje nyt brændstof (gennem et gummirør). Fremføringshastigheden justeres ved at klemme røret. Sådan ser driften af en brændselscelle ud under laboratorieforhold, hvis effekt er forståeligt nok lav.
Video: Brændselscelle eller evigt batteri derhjemme
For at sikre større magt har videnskabsmænd arbejdet på dette problem i lang tid. Det aktive stål i udvikling huser methanol- og ethanolbrændselsceller. Men de er desværre endnu ikke blevet ført ud i livet.
Hvorfor brændselscellen er valgt som en alternativ strømkilde
En brændselscelle blev valgt som en alternativ strømkilde, da slutproduktet af brintforbrænding i den er vand. Det eneste problem er at finde en billig og effektiv måde at producere brint på. Enorme midler investeret i udviklingen af brintgeneratorer og brændselsceller kan ikke andet end at bære frugt, så et teknologisk gennembrud og deres reelle brug i hverdagen er kun et spørgsmål om tid.
Allerede i dag er bilindustriens monstre: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard demonstrerer busser og biler, der kører på brændselsceller, hvis effekt når 50 kW. Men problemerne forbundet med deres sikkerhed, pålidelighed og omkostninger er endnu ikke løst. Som allerede nævnt, i modsætning til traditionelle strømkilder - batterier og akkumulatorer, i dette tilfælde leveres oxidationsmidlet og brændstoffet udefra, og brændselscellen er kun et mellemled i den løbende reaktion med at brænde brændstof og omdanne den frigivne energi til elektricitet. "Forbrænding" opstår kun, hvis elementet leverer strøm til belastningen, som en dieselelektrisk generator, men uden en generator og en dieselmotor, og også uden støj, røg og overophedning. Samtidig er effektiviteten meget højere, da der ikke er nogen mellemliggende mekanismer.
Video: Brint brændselscelle bil
Der stilles store forhåbninger til brugen af nanoteknologi og nanomaterialer, som vil hjælpe med at miniaturisere brændselsceller og samtidig øge deres effekt. Der har været rapporter om, at der er blevet skabt ultraeffektive katalysatorer, såvel som designs til brændselsceller, der ikke har membraner. I dem tilføres brændstof (f.eks. methan) til elementet sammen med oxidationsmidlet. Interessante løsninger bruger oxygen opløst i luft som et oxidationsmiddel og organiske urenheder, der ophobes i forurenet vand som brændstof. Det er såkaldte biobrændstofelementer.
Brændselsceller kan ifølge eksperter komme ind på massemarkedet i de kommende år.
Entreprenør Danila Shaposhnikov siger, at han påtog sig at bringe produktet på markedet fra laboratoriet. Opstarten AT Energy laver brintbrændselsceller, der vil gøre det muligt for droner at flyve mange gange længere, end de kan nu.
Entreprenør Danila Shaposhnikov hjælper forskerne Yuri Dobrovolsky og Sergei Nefedkin med at kommercialisere deres opfindelse - kompakte brintbrændselsceller, der kan fungere i flere timer uden frygt for frost og fugt. Virksomheden, de oprettede, AT Energy, har allerede rejst omkring 100 millioner rubler. investeringer og forbereder sig på at erobre det globale dronemarked for 7 milliarder dollars, som indtil videre primært bruger lithium-ion-batterier.
Fra laboratorium til marked
Forretningen blev startet af Shaposhnikovs bekendtskab med to doktorer inden for videnskab inden for energi og elektrokemi - Dobrovolsky fra Institute of Problems of Chemical Physics ved det russiske videnskabsakademi i Chernogolovka og Nefedkin, der leder Center for Hydrogen Energy i Moskva Energiinstituttet. Professorerne havde en idé om, hvordan man lavede lavtemperaturbrændselsceller, men de forstod ikke, hvordan de skulle bringe deres opfindelse på markedet. "Jeg fungerede som en iværksætter-investor, der tog risikoen ved at bringe et produkt på markedet fra laboratoriet," husker Shaposhnikov i et interview med RBC.
I august 2012 registrerede Shaposhnikov, Dobrovolsky og Nefedkin AT Energy-selskabet (AT Energy LLC) og begyndte at forberede prototyper. Virksomheden indsendte en ansøgning og blev bosiddende i Skolkovo. Igennem 2013 arbejdede grundlæggerne af AT Energy på instituttets lejede base i Chernogolovka på radikalt at øge levetiden for brændselscellebaserede batterier. "Chernogolovka er en videnskabsby, det er ret nemt at finde og tiltrække laboratorieforskere, ingeniører og elektrokemikere der," siger Shaposhnikov. Derefter flyttede AT Energy til teknologiparken Chernogolovsky. Der dukkede det første produkt op - en brændselscelle til droner.
Brændselscellens "hjerte" udviklet af AT Energy er en membran-elektrodeenhed, hvori der sker en elektrokemisk reaktion: luft med ilt tilføres på den ene side, komprimeret brintgas tilføres på den anden, og energi genereres som et resultat. af den kemiske reaktion af hydrogenoxidation.
For et rigtigt produkt var AT Energy i stand til at modtage to Skolkovo-tilskud (på næsten 47 millioner rubler) og også tiltrække omkring 1 million dollars i investeringer. Projektet blev troet på af North Energy Ventures-fonden (modtog 13,8 % af AT Energy, dets partner er Shaposhnikov selv), Phystech Ventures-venturefonden (13,8 %), grundlagt af kandidater fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi, og udvikler Morton (10% ); Shaposhnikov og Dobrovolsky ejer nu direkte 26,7% af AT Energy, og Nefedkin - 9% (alt sammen ifølge Unified State Register of Legal Entities).
AT Energi i tal
Omkring 1 00 millioner rub.— det samlede beløb for tiltrukne investeringer
3-30 kg- en masse droner, som AT Energy laver strømsystemer til
7 milliarder dollars om året - volumen af det globale dronemarked i 2015
90 millioner dollars— volumen af det russiske militære dronemarked i 2014
5 millioner dollars— volumen af det russiske civile dronemarked i 2014
2,6 milliarder dollars— volumen af det globale brændselscellemarked i 2014
Kilde: virksomhedsdata, Business Insider, Markets & Markets
Flyver længere, endnu længere
I dag bruger næsten 80 % af verdens droner elektriske motorer, som drives af lithium-ion- eller lithium-polymer-batterier. ”Det største problem med batterier er, at de har energikapacitetsbegrænsninger på grund af deres størrelse. Hvis du vil have dobbelt så meget energi, skal du installere et andet batteri, og et andet osv. Og i droner er den vigtigste parameter dens masse,” forklarer Shaposhnikov.
Dronens vægt bestemmer dens nyttelast - antallet af enheder, der kan hænges på den (for eksempel kameraer, termiske kameraer, scanningsenheder osv.), samt flyvetiden. I dag flyver droner generelt i en halv time til halvanden time. "Det er ikke interessant i en halv time," siger Shaposhnikov. "Det viser sig, at så snart du løfter det op i luften, er det tid til at skifte batteriet." Derudover opfører lithium-ion-batterier sig lunefuldt ved lave temperaturer. Shaposhnikov hævder, at brændselscellerne udviklet af AT Energy tillader droner at flyve op til fem gange længere: fra to en halv til fire timer og ikke er bange for frost (ned til minus 20 grader).
AT Energy køber forbrugsstoffer og komponenter til sine batterier både i Rusland og i udlandet. "For den videnskabelige udvikling er små serier underforstået, så vi kan endnu ikke give potentielle russiske producenter af de komponenter, vi har brug for, en planlægningshorisont, så de kan lokalisere deres produktion," forklarer Shaposhnikov.
I 2014 afsluttede AT Energy sine første kontrakter: det leverede 20 batterisystemer baseret på dets brændselsceller til militæret (Shaposhnikov navngiver ikke kunden). De var også udstyret med droner fra firmaet AFM-Servers, som brugte dem, da de filmede OL i Sochi. "Et af virksomhedens mål var at teste vores systemer på droner, og vi var ligeglade med, om de betalte os for det eller ej," husker Shaposhnikov. Til dato har AT Energy underskrevet en række kontrakter og forhåndskontrakter, hvor den potentielle omsætning ifølge Shaposhnikov er 100 millioner rubler. (hovedsageligt med offentlige myndigheder).
Shaposhnikov oplyser ikke AT Energy's økonomiske resultater. Ifølge Kontur.Focus havde virksomheden i 2014 en omsætning på 12,4 millioner rubler. og et nettotab på 1,2 millioner rubler. Omkostningerne til brændselsceller med en effekt på op til 0,5 kW produceret af AT Energy, ifølge Shaposhnikov, varierer fra $10-25 tusinde, afhængigt af typen af drone, de opgaver, den står over for, flyvevarighed og andre parametre.
Devalueringen af rublen vil ifølge Shaposhnikov gøre det lettere for virksomheden at komme ind på verdensmarkedet. "Vi satte os som mål at etablere relationer med vestlige spillere i 2016 og i 2017 lave de første produkter til hovedtyperne af udenlandske droner," siger han.
INVESTOR
"AT Energy formåede at skabe en brændselscelle med unikke egenskaber"
Oleg Pertsovsky, direktør for driften af Energy Efficient Technologies Cluster i Skolkovo Foundation
"De var i stand til at lave en enhed, der fungerer ved minusgrader, samtidig med at den er ret kompakt og billig. For videnskabstunge projekter er fire år en kort periode, så de går efter vores mening i et normalt tempo. Droner er et af de oplagte og mest lovende områder for brugen af brændselsceller. Ved at udskifte strømkilden vil dronen være i stand til at øge sin flyvetid flere gange med de samme massedimensionelle egenskaber. Der er også et marked for autonom strømforsyning, for eksempel til mobilnetværk, hvor der er et stort behov for strømforsyninger med lavt strømforbrug i fjerntliggende områder, hvor elektriske netværk ikke er tilsluttet.”
"At skabe et konkurrencedygtigt produkt og komme ind på dette marked har betydelige investeringsrisici"
Sergey Filimonov, leder af corporate venture-fonden GS Venture (som en del af GS Group)
"Brændselscellemarkedet med høj kapacitet er meget bredere og mere komplekst end droneindustrien. Men brændselsceller bliver nødt til at konkurrere med en række eksisterende energikilder, både hvad angår effektivitet og omkostninger. At skabe et konkurrencedygtigt produkt og komme ind på dette marked har betydelige investeringsrisici. For GS Venture er områderne UAV'er og brændselsceller ret interessante, men fonden er ikke klar til at investere i en startup, bare fordi denne virksomhed opererer i et udviklingsområde og er rettet mod et aktivt voksende marked.
KUNDER
"Dette er den bedste teknologi på markedet, men for dyrt"
Oleg Panfilenok, grundlægger og administrerende direktør for Copter Express
”AT Energy har meget stærk teknologi. Kombinationen af en "brændselscelle plus en brintcylinder" gør det muligt at opnå pålidelig energiintensitet, væsentligt højere end i lithium-polymer- eller lithium-ion-batterier. Vi har allerede designet en kortlægningsdrone, cirka 1 meter i diameter, til at flyve over et stort område – hvis du sætter brintbrændselsceller på den, vil den flyve i op til fire timer. Det ville være praktisk og effektivt, du behøver ikke lægge enheden fra dig flere gange for at genoplade.
I øjeblikket er dette absolut den bedste teknologi på markedet, men der er et problem: det er for dyrt for os. Et batteri fra AT Energy kan koste omkring 500 tusind rubler. - en størrelsesorden højere end et lithiumpolymerbatteri. Ja, det er halvanden gang billigere end udenlandske analoger, men vi har brug for ti. Vi er ikke militært personale, der har budgetter, vi er en kommerciel virksomhed og er ikke klar til at betale store penge. For militæret er en drones egenskaber vigtigere end dens omkostninger, men for handel er det tværtimod bedre, hvis det er værre, men billigere."
"En drones flyvetid er den vigtigste faktor for mange missioner."
Maxim Shinkevich, administrerende direktør for Unmanned Systems-gruppen af virksomheder
”Vi er meget fortrolige med AT Energy og har indgået en samarbejdsaftale med dem. Vi har for nylig afsluttet udviklingen af en ny større multikopter med en nyttelast på op til 2 kg, som bliver udstyret med brændselsceller fra AT Energy og vil flyve på dem fra 2,5 til 4 timer. Ved at bruge lithium-batterier ville sådan en drone kun flyve i 30 minutter. Denne drone kan bruges til både civile og militære formål - det er et videoovervågningssystem til eftersøgning og redning af mennesker, vi er allerede klar til at lancere den i serie. Vi har allerede den første civile kunde til den, og så snart vi viser den i aktion, vil andre kontrakter dukke op.
Et af hovedproblemerne ved massebrug af brændselsceller er manglen på et netværk af stationer til opladning af dem. De er dyrere end batterier (som følge heraf stiger prisen for en drone, der bruger dem, med 15%), men til gengæld får du mere end det dobbelte af flyvevarigheden. Droneflyvetid er den vigtigste faktor for mange applikationer."
Natalia Suvorova