Vodnik: Kako odpreti Ancient Arsenal in kje iskati gorivne celice - Horizon: Zero Dawn. Gorivna celica kot alternativa "alternativni" energiji

V zadnjem času je tema gorivnih celic vsem na ustnicah. In to ni presenetljivo, s prihodom te tehnologije v svetu elektronike je našla novo rojstvo. Svetovni voditelji na področju mikroelektronike tekmujejo s predstavitvijo prototipov svojih prihodnjih izdelkov, ki bodo integrirali lastne mini elektrarne. To naj bi po eni strani oslabilo vezavo mobilnih naprav na »vtičnico«, po drugi strani pa jim podaljšalo življenjsko dobo baterije.

Poleg tega nekateri delujejo na osnovi etanola, zato je razvoj teh tehnologij v neposrednem korist za proizvajalce alkoholnih pijač - čez ducat let se za naslednjim "odmerkom" za svoje "informatorje" vrstijo vrste "informatorjev". prenosni računalnik se bo postavil na vrsto v destilarni.

Ne moremo ostati stran od "vročine" gorivnih celic, ki je zajela visokotehnološko industrijo, in poskušali bomo ugotoviti, kakšna žival je ta tehnologija, s čim se jedo in kdaj naj pričakujemo, da bo prišla "catering". V tem gradivu bomo obravnavali pot, ki so jo prehodile gorivne celice od trenutka, ko je bila ta tehnologija odkrita do danes. Poskušali bomo oceniti tudi možnosti za njihovo izvedbo in razvoj v prihodnosti.

Kako je bilo

Prvič je princip gorivne celice leta 1838 opisal Christian Friedrich Schonbein, leto pozneje pa je Philosophical Journal objavil njegov članek na to temo. Vendar so bile to le teoretične študije. Prva delujoča gorivna celica je luč ugledala leta 1843 v laboratoriju znanstvenika valižanskega porekla sira Williama Roberta Grovea. Pri ustvarjanju je izumitelj uporabil materiale, podobne tistim, ki se uporabljajo v sodobnih baterijah s fosforno kislino. Nato je W. Thomas Grub izboljšal gorivno celico Sir Grove. Leta 1955 je ta kemik, ki je delal za legendarno podjetje General Electric je kot elektrolit v gorivni celici uporabil sulfonirano polistirensko ionsko izmenjevalno membrano. Le tri leta pozneje je njegov kolega Leonard Niedrach predlagal tehnologijo polaganja platine na membrano, ki je delovala kot katalizator v procesu oksidacije vodika in privzema kisika.

"Oče" gorivnih celic Christian Schönbein

Ta načela so bila osnova za novo generacijo gorivnih celic, imenovane "Grubb-Nidrach" elementi po njihovih ustvarjalcih. General Electric se je še naprej razvijal v tej smeri, v kateri je s pomočjo Nase in letalskega velikana McDonnell Aircraft nastala prva komercialna gorivna celica. Novo tehnologijo so opazili v tujini. In že leta 1959 je Britanec Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) predstavil stacionarno gorivno celico z močjo 5 kW. Njegove patentirane modele so kasneje licencirali Američani in jih uporabili v vesoljske ladje NASA v elektroenergetskih sistemih in oskrbi s pitno vodo. Istega leta je Američan Harry Ihrig izdelal prvi traktor na gorivne celice (skupne moči 15 kW). Kot elektrolit v baterijah je bil uporabljen kalijev hidroksid, kot reagenta pa sta bila uporabljena stisnjen vodik in kisik.

Prvič je proizvodnjo stacionarnih gorivnih celic za komercialne namene začel izvajati UTC Power, ki je ponudil rezervne sisteme za napajanje bolnišnic, univerz in poslovnih centrov. To podjetje, ki je vodilno v svetu na tem področju, še vedno proizvaja podobne rešitve z močjo do 200 kW. Je tudi glavni dobavitelj gorivnih celic za NASA. Njeni izdelki so bili široko uporabljeni v vesoljskem programu Apollo in so še vedno v povpraševanju kot del programa Space Shuttle. UTC Power ponuja tudi gorivne celice "porabe potrošnikov" za široko paleto aplikacij v vozilih. Bila je prva, ki je ustvarila gorivno celico, ki omogoča sprejemanje toka pri negativnih temperaturah z uporabo membrane za izmenjavo protonov.

Kako deluje

Raziskovalci so eksperimentirali z različnimi snovmi kot reagenti. Vendar osnovna načela delovanja gorivnih celic kljub bistveno različnim lastnostim delovanja ostajajo nespremenjena. Vsaka gorivna celica je naprava za elektrokemično pretvorbo energije. Proizvaja električno energijo iz določene količine goriva (na strani anode) in oksidanta (na strani katode). Reakcija poteka v prisotnosti elektrolita (snov, ki vsebuje proste ione in se obnaša kot električno prevoden medij). Načeloma je v vsaki takšni napravi nekaj reagentov, ki vstopajo vanjo, in njihovi reakcijski produkti, ki se odstranijo po izvedbi elektrokemične reakcije. Elektrolit v tem primeru služi le kot medij za interakcijo reaktantov in se v gorivni celici ne spreminja. Na podlagi takšne sheme bi morala idealna gorivna celica delovati, dokler obstaja zaloga snovi, potrebnih za reakcijo.

Tu gorivnih celic ne smete zamenjevati z običajnimi baterijami. V prvem primeru se za proizvodnjo električne energije porabi nekaj "goriva", ki jo je kasneje treba ponovno napolniti. Pri galvanskih celicah je električna energija shranjena v zaprtem krogu. kemični sistem. V primeru baterij uporaba toka omogoča povratno elektrokemično reakcijo in vrnitev reagentov v prvotno stanje (tj. polnjenje). Možne so različne kombinacije goriva in oksidanta. Na primer, vodikova gorivna celica uporablja vodik in kisik (oksidacijsko sredstvo) kot reaktante. Pogosto se kot gorivo uporabljajo bikarbonati in alkoholi, kot oksidanti pa delujejo zrak, klor in klorov dioksid.

Reakcija katalize, ki poteka v gorivni celici, izloči elektrone in protone iz goriva in gibajoči se elektroni tvorijo elektrika. Gorivne celice običajno uporabljajo platino ali njene zlitine kot katalizator za pospešitev reakcije. Drugi katalitični proces vrača elektrone tako, da jih združi s protoni in oksidantom, kar povzroči nastanek reakcijskih produktov (emisije). Praviloma so te emisije preproste snovi: voda in ogljikov dioksid.

V običajni gorivni celici s protonsko izmenjevalno membrano (PEMFC) polimerna protonska prevodna membrana ločuje anodno in katodno stran. S katodne strani vodik difundira na anodni katalizator, kjer se iz njega nato sproščajo elektroni in protoni. Protoni nato preidejo skozi membrano do katode, elektroni, ki ne morejo slediti protonom (membrana je električno izolirana), pa se usmerijo skozi zunanji tokokrog obremenitve (napajalni sistem). Na strani katodnega katalizatorja kisik reagira s protoni, ki so prešli skozi membrano, in elektroni, ki vstopijo skozi zunanji tokokrog obremenitve. Kot rezultat te reakcije dobimo vodo (v obliki hlapov ali tekočine). Na primer, reakcijski produkti v gorivnih celicah, ki uporabljajo ogljikovodikova goriva (metanol, dizelsko gorivo) sta voda in ogljikov dioksid.

Gorivne celice skoraj vseh vrst trpijo zaradi električnih izgub, ki so posledica naravne upornosti kontaktov in elementov gorivnih celic ter električne prenapetosti (dodatna energija, potrebna za izvedbo začetne reakcije). V nekaterih primerih se tem izgubam ni mogoče popolnoma izogniti, včasih pa »igra ni vredna sveče«, najpogosteje pa jih je mogoče zmanjšati na sprejemljiv minimum. Rešitev tega problema je uporaba sklopov teh naprav, v katerih se lahko gorivne celice, odvisno od zahtev za napajalni sistem, povežejo vzporedno (višji tok) ali zaporedno (višja napetost).

Vrste gorivnih celic

Obstaja veliko vrst gorivnih celic, vendar se bomo poskušali na kratko osredotočiti na najpogostejše od njih.

Alkalne gorivne celice (AFC)

Alkalne ali alkalne gorivne celice, imenovane tudi Baconove celice po njihovem britanskem "očetu", so ena izmed najbolj razvitih tehnologij gorivnih celic. Prav te naprave so človeku pomagale stopiti na Luno. Na splošno NASA uporablja gorivne celice te vrste od sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja. AFC porabljajo vodik in čisti kisik ter proizvajajo pitna voda, toplota in elektrika. V veliki meri zaradi dejstva, da je ta tehnologija dobro razvita, ima eno najvišjih stopenj učinkovitosti med podobnimi sistemi (približno 70 % potenciala).

Vendar ima ta tehnologija tudi svoje pomanjkljivosti. Zaradi posebnosti uporabe tekoče alkalne snovi kot elektrolita, ki ne blokira ogljikovega dioksida, je možno, da kalijev hidroksid (ena od možnosti za uporabljeni elektrolit) reagira s to komponento navadnega zraka. Rezultat je lahko strupena spojina kalijevega karbonata. Da bi se temu izognili, je treba uporabiti bodisi čisti kisik bodisi očistiti zrak iz ogljikovega dioksida. Seveda to vpliva na stroške takšnih naprav. Kljub temu so AFC najcenejše gorivne celice za proizvodnjo, ki so danes na voljo.

Neposredne borohidridne gorivne celice (DBFC)

Ta podtip alkalnih gorivnih celic uporablja natrijev borohidrid kot gorivo. Vendar ima ta tehnologija za razliko od običajnih vodikovih AFC eno pomembno prednost - ni tveganja za nastanek strupenih spojin po stiku z ogljikovim dioksidom. Vendar pa je produkt njegove reakcije snov boraks, ki se pogosto uporablja v detergentih in milih. Boraks je relativno nestrupen.

DBFC je mogoče izdelati celo cenejši od tradicionalnih gorivnih celic, ker ne potrebujejo dragih platinastih katalizatorjev. Poleg tega imajo večjo energijsko gostoto. Ocenjuje se, da proizvodnja kilograma natrijevega borohidrida stane 50 dolarjev, če pa organizirate njegovo množično proizvodnjo in organizirate predelavo boraksa, se lahko ta palica zmanjša za 50-krat.

Kovinski hidrid gorivne celice (MHFC)

Ta podrazred alkalnih gorivnih celic se trenutno aktivno preučuje. Značilnost teh naprav je sposobnost kemičnega shranjevanja vodika v gorivni celici. Neposredna borohidridna gorivna celica ima enako sposobnost, vendar je za razliko od nje MHFC napolnjen s čistim vodikom.

Med značilnostmi teh gorivnih celic so naslednje:

• sposobnost polnjenja z električno energijo;
• delo pri nizkih temperaturah - do -20°C;
• dolg rok uporabnosti;
• hiter "hladni" zagon;
• sposobnost dela nekaj časa brez zunanjega vira vodika (za obdobje zamenjave goriva).

Kljub temu, da veliko podjetij dela na ustvarjanju množično proizvedenih MHFC, učinkovitost prototipov v primerjavi s konkurenčnimi tehnologijami ni dovolj visoka. Ena najboljših gostot toka za te gorivne celice je 250 miliamperov na kvadratni centimeter, pri čemer običajne gorivne celice PEMFC zagotavljajo gostoto toka 1 amper na kvadratni centimeter.

Elektro-galvanske gorivne celice (EGFC)

Kemična reakcija v EGFC poteka s sodelovanjem kalijevega hidroksida in kisika. To ustvari električni tok med svinčeno anodo in pozlačeno katodo. Izhodna napetost elektrogalvanske gorivne celice je neposredno sorazmerna s količino kisika. Ta funkcija je omogočila, da se EGFC široko uporablja kot naprava za testiranje kisika v potapljaški in medicinski opremi. Toda ravno zaradi te odvisnosti imajo gorivne celice na osnovi kalijevega hidroksida zelo omejeno časovno obdobje. učinkovito delo(dokler je koncentracija kisika visoka).

Prvi certificirani testerji kisika EGFC so postali široko dostopni leta 2005, vendar takrat niso pridobili velike popularnosti. Izdan dve leti pozneje je bil bistveno spremenjen model veliko uspešnejši in je na specializirani potapljaški razstavi na Floridi prejel celo nagrado za "inovacijo". Trenutno jih uporabljajo organizacije, kot sta NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) in DDRC (Diving Diseases Research Center).

Direktne gorivne celice mravljinčne kisline (DFAFC)

Te gorivne celice so podvrsta naprav za neposredno mravljinčno kislino PEMFC. Zaradi svojih posebnih lastnosti imajo te gorivne celice veliko možnosti, da bodo v prihodnosti postale glavni vir energije za tako prenosno elektroniko, kot so prenosni računalniki, mobilni telefoni itd.

Tako kot metanol se mravljinčna kislina neposredno dovaja v gorivno celico brez posebne stopnje čiščenja. Prav tako je veliko varneje shraniti to snov kot na primer vodik, poleg tega pa ni treba zagotoviti nobenih posebnih pogojev shranjevanja: mravljinčna kislina je tekočina pri normalni temperaturi. Poleg tega ima ta tehnologija dve nesporni prednosti pred gorivnimi celicami z neposrednim metanolom. Prvič, za razliko od metanola, mravljinčna kislina ne pronica skozi membrano. Zato bi morala biti učinkovitost DFAFC po definiciji višja. Drugič, v primeru razbremenitve mravljinčna kislina ni tako nevarna (metanol lahko povzroči slepoto, z močnim odmerkom pa smrt).

Zanimivo je, da do nedavnega mnogi znanstveniki niso videli te tehnologije kot praktične prihodnosti. Razlog, zaradi katerega so raziskovalci več let prenehali uporabljati mravljinčno kislino, je bila visoka elektrokemična prenapetost, ki je povzročila znatne električne izgube. Toda rezultati nedavnih poskusov so pokazali, da je bil razlog za to neučinkovitost uporaba platine kot katalizatorja, ki se tradicionalno v ta namen pogosto uporablja v gorivnih celicah. Potem ko so znanstveniki z Univerze v Illinoisu izvedli številne poskuse z drugimi materiali, se je izkazalo, da je pri uporabi paladija kot katalizatorja produktivnost DFAFC višja kot pri enakovrednih neposrednih gorivnih celicah z metanolom. Trenutno so pravice do te tehnologije v lasti ameriškega podjetja Tekion, ki ponuja svojo linijo izdelkov Formira Power Pack za mikroelektronske naprave. Ta sistem je "dupleks", sestavljen iz akumulatorske baterije in dejanske gorivne celice. Ko zmanjka zaloga reagentov v kartuši, ki polni baterijo, jo uporabnik preprosto zamenja z novim. Tako postane popolnoma neodvisen od "vtičnice". Po obljubah proizvajalca se bo čas med polnjenji podvojil, kljub temu, da bo tehnologija stala le 10-15% več kot običajne baterije. Edina resna ovira za to tehnologijo je lahko, da jo podpira podjetje srednjega razreda in jo lahko preprosto »napolnijo« večji konkurenti, ki predstavljajo svoje tehnologije, ki so lahko na več načinov celo slabše od DFAFC.

Neposredne gorivne celice metanola (DMFC)

Te gorivne celice so podskupina membranskih naprav za izmenjavo protonov. Uporabljajo metanol, napolnjen v gorivno celico brez nadaljnjega čiščenja. Vendar pa je metilni alkohol veliko lažje skladiščiti in ni eksploziven (čeprav je vnetljiv in lahko povzroči slepoto). Hkrati je energijska zmogljivost metanola bistveno višja kot pri stisnjenem vodiku.

Vendar je zaradi dejstva, da je metanol sposoben pronicati skozi membrano, učinkovitost DMFC z velikimi količinami goriva nizka. Čeprav zaradi tega niso primerne za transport in velike inštalacije, so te naprave odlične kot zamenjava baterij za mobilne naprave.

Predelane metanolne gorivne celice (RMFC)

Predelane metanolne gorivne celice se od DMFC-jev razlikujejo le po tem, da pretvorijo metanol v vodik in ogljikov dioksid pred proizvodnjo električne energije. To se zgodi v posebni napravi, imenovani procesor goriva. Po tej predhodni stopnji (reakcija poteka pri temperaturi nad 250°C) vodik doživi oksidacijsko reakcijo, ki povzroči nastanek vode in elektrike.

Uporaba metanola v RMFC je posledica dejstva, da je naravni nosilec vodika, pri dovolj nizki temperaturi (v primerjavi z drugimi snovmi) pa se lahko razgradi na vodik in ogljikov dioksid. Zato je ta tehnologija naprednejša od DMFC. Gorivne celice s predelanim metanolom so učinkovitejše, bolj kompaktne in delujejo pri temperaturah pod ničlo.

Neposredne etanol gorivne celice (DEFC)

Še en predstavnik razreda gorivnih celic z mrežo za izmenjavo protonov. Kot že ime pove, etanol vstopi v gorivne celice mimo stopenj dodatnega čiščenja ali razgradnje v enostavnejše snovi. Prvi plus teh naprav je uporaba etilnega alkohola namesto strupenega metanola. To pomeni, da vam v razvoj tega goriva ni treba vlagati veliko denarja.

Energijska gostota alkohola je približno 30 % višja od gostote metanola. Poleg tega ga je mogoče v velikih količinah pridobiti iz biomase. Da bi znižali stroške gorivnih celic etanola, poteka aktivno iskanje alternativnega katalizatorskega materiala. Platina, ki se tradicionalno uporablja v gorivnih celicah za te namene, je predraga in je pomembna ovira za množično uvajanje teh tehnologij. Rešitev tega problema so lahko katalizatorji iz mešanice železa, bakra in niklja, ki kažejo impresivne rezultate v eksperimentalnih sistemih.

cink zračne gorivne celice (ZAFC)

ZAFC uporablja oksidacijo cinka s kisikom iz zraka za proizvodnjo električne energije. Te gorivne celice so poceni za proizvodnjo in zagotavljajo precej visoko gostoto energije. Trenutno se uporabljajo v slušnih aparatih in eksperimentalnih električnih avtomobilih.

Na anodni strani je mešanica cinkovih delcev z elektrolitom, na katodni pa voda in kisik iz zraka, ki medsebojno reagirata in tvorita hidroksil (njegova molekula sta atom kisika in atom vodika, med katerima obstaja kovalentna vez). Kot rezultat reakcije hidroksila z mešanico cinka se sproščajo elektroni, ki gredo na katodo. Največja napetost, ki ga oddajajo takšne gorivne celice, je 1,65 V, vendar se praviloma umetno zmanjša na 1,4–1,35 V, kar omejuje dostop zraka do sistema. Končna produkta te elektrokemične reakcije sta cinkov oksid in voda.

To tehnologijo je mogoče uporabljati tako v baterijah (brez polnjenja) kot v gorivnih celicah. V slednjem primeru se komora na anodni strani očisti in ponovno napolni s cinkovo ​​pasto. Na splošno se je ZAFC tehnologija izkazala za preproste in zanesljive baterije. Njihova nesporna prednost je sposobnost nadzorovanja reakcije samo s prilagajanjem dovoda zraka v gorivno celico. Mnogi raziskovalci razmišljajo o cink-zračnih gorivnih celicah kot o prihodnjem glavnem viru energije za električna vozila.

Mikrobne gorivne celice (MFC)

Ideja o uporabi bakterij v dobro človeštva ni nova, čeprav je do realizacije teh idej prišla šele pred kratkim. Trenutno je vprašanje komercialne uporabe biotehnologije za proizvodnjo različnih izdelkov (na primer proizvodnja vodika iz biomase), nevtralizacija škodljive snovi in proizvodnjo električne energije. Mikrobne gorivne celice, imenovane tudi biološke gorivne celice, so biološki elektrokemični sistem, ki proizvaja električno energijo z uporabo bakterij. Ta tehnologija temelji na katabolizmu (razgradnji kompleksne molekule v enostavnejšo s sproščanjem energije) snovi, kot so glukoza, acetat (sol ocetne kisline), butirat (sol maslene kisline) ali odpadne vode. Zaradi njihove oksidacije se sproščajo elektroni, ki se prenesejo na anodo, po kateri nastali električni tok teče skozi prevodnik do katode.

V takšnih gorivnih celicah se običajno uporabljajo mediatorji za izboljšanje prepustnosti elektronov. Težava je v tem, da so snovi, ki igrajo vlogo mediatorjev, drage in strupene. Vendar pa v primeru uporabe elektrokemično aktivnih bakterij mediatorji niso potrebni. Takšne mikrobne gorivne celice "brez oddajnikov" so se začele ustvarjati pred kratkim, zato še zdaleč niso vse njihove lastnosti dobro raziskane.

Kljub oviram, ki jih MFC še ni premagal, ima ta tehnologija ogromen potencial. Prvič, "goriva" ni težko najti. Poleg tega je danes vprašanje čiščenja odpadne vode in odstranjevanja številnih odpadkov zelo pereče. Uporaba te tehnologije bi lahko rešila oba problema. Drugič, teoretično je lahko njegova učinkovitost zelo visoka. Glavna težava za inženirje so mikrobne gorivne celice in pravzaprav najpomembnejši element te naprave mikrobi. In medtem ko se mikrobiologi, ki prejemajo številne štipendije za raziskave, veselijo, si roke drgnejo tudi pisci znanstvene fantastike, ki predvidevajo uspeh knjig o posledicah »objavljanja« napačnih mikroorganizmov. Seveda obstaja nevarnost, da bi ven prinesli nekaj, kar bi "prebavilo" ne le nepotrebne odpadke, ampak tudi nekaj dragocenega. Tako so načeloma, tako kot pri vseh novih biotehnologijah, ljudje previdni glede ideje, da bi v žepu nosili škatlo, okuženo z bakterijami.

Aplikacija

Stacionarne domače in industrijske elektrarne

Gorivne celice se pogosto uporabljajo kot viri energije v različnih avtonomnih sistemih, kot so vesoljska plovila, oddaljene vremenske postaje, vojaške naprave itd. Glavna prednost takšnega napajalnega sistema je njegova izjemno visoka zanesljivost v primerjavi z drugimi tehnologijami. Zaradi odsotnosti gibljivih delov in mehanizmov v gorivnih celicah lahko zanesljivost napajalnih sistemov doseže 99,99%. Poleg tega je v primeru uporabe vodika kot reagenta mogoče doseči zelo majhno težo, kar je pri vesoljski opremi eden najpomembnejših kriterijev.

V zadnjem času postajajo vse bolj razširjene kombinirane toplotne in električne inštalacije, ki se pogosto uporabljajo v stanovanjskih zgradbah in pisarnah. Posebnost teh sistemov je, da nenehno proizvajajo električno energijo, ki se, če se ne porabi takoj, porabi za ogrevanje vode in zraka. Kljub dejstvu, da je električna učinkovitost takšnih inštalacij le 15-20 %, se ta pomanjkljivost kompenzira z dejstvom, da se neporabljena električna energija uporablja za proizvodnjo toplote. Na splošno je energetska učinkovitost takšnih kombiniranih sistemov približno 80%. Eden najboljših reagentov za takšne gorivne celice je fosforjeva kislina. Te enote zagotavljajo energijsko učinkovitost 90 % (35-50 % električne energije in preostala toplotna energija).

Prevoz

Energetski sistemi, ki temeljijo na gorivnih celicah, se pogosto uporabljajo tudi v prometu. Mimogrede, Nemci so bili med prvimi, ki so na vozila namestili gorivne celice. Tako je prvi komercialni čoln na svetu, opremljen s tako postavitvijo, debitiral pred osmimi leti. To majhno plovilo, imenovano "Hydra" in zasnovano za prevoz do 22 potnikov, je bilo junija 2000 spuščeno blizu nekdanje prestolnice Nemčije. Vodik (alkalna gorivna celica) deluje kot reagent, ki prenaša energijo. Zahvaljujoč uporabi alkalnih (alkalnih) gorivnih celic je naprava sposobna generirati tok pri temperaturah do -10°C in se ne "boji" slane vode. Čoln »Hydra«, ki ga poganja 5 kW elektromotor, zmore hitrosti do 6 vozlov (približno 12 km/h).

Čoln "Hydra"

Gorivne celice (zlasti na vodikov pogon) so postale veliko bolj razširjene v kopenskem prometu. Na splošno se vodik uporablja kot gorivo za avtomobilske motorje že kar dolgo in načeloma je običajen motor z notranjim zgorevanjem mogoče enostavno spremeniti v uporabo tega alternativnega goriva. Vendar je običajno zgorevanje vodika manj učinkovito kot pridobivanje električne energije s kemično reakcijo med vodikom in kisikom. V idealnem primeru bo vodik, če se uporablja v gorivnih celicah, popolnoma varen za naravo ali, kot pravijo, "prijazen do okolja", saj se med kemično reakcijo, ki se dotika "rastlinjaka", ne sprošča ogljikov dioksid ali druge snovi. učinek«.

Res je, tukaj je, kot bi pričakovali, več velikih "ampak". Dejstvo je, da številne tehnologije za proizvodnjo vodika iz neobnovljivih virov (zemeljski plin, premog, naftni derivati) niso tako prijazne do okolja, saj se pri njihovem procesu sprošča velika količina ogljikovega dioksida. Teoretično, če se za pridobivanje uporabljajo obnovljivi viri, potem škodljivih emisij sploh ne bo. Vendar se v tem primeru stroški znatno povečajo. Po mnenju mnogih strokovnjakov je zaradi teh razlogov potencial vodika kot nadomestka za bencin ali zemeljski plin zelo omejen. Že obstajajo cenejše alternative in najverjetneje gorivne celice na prvem elementu periodnega sistema ne bodo mogle postati množični pojav v vozilih.

Proizvajalci avtomobilov precej aktivno eksperimentirajo z vodikom kot virom energije. In glavni razlog za to je precej trd položaj EU glede škodljivih emisij v ozračje. Spodbujeni zaradi vse strožjih omejitev v Evropi so Daimler AG, Fiat in Ford Motor Company predstavili svojo vizijo prihodnosti gorivnih celic v avtomobilski industriji in svoje osnovne modele opremili s podobnimi pogonskimi sklopi. Še en evropski avtomobilski gigant, Volkswagen, trenutno pripravlja svoje vozilo na gorivne celice. Japonska in južnokorejska podjetja ne zaostajajo za njimi. Vendar pa vsi ne stavijo na to tehnologijo. Mnogi ljudje raje modificirajo motorje z notranjim zgorevanjem ali jih kombinirajo z električnimi motorji na baterije. Po tej poti so sledili Toyota, Mazda in BMW. Kar zadeva ameriška podjetja, je General Motors poleg Forda z modelom Focus predstavil tudi več avtomobilov na gorivne celice. Vsa ta podjetja aktivno spodbujajo številne države. Na primer, v Združenih državah Amerike velja zakon, po katerem je nov hibridni avtomobil, ki vstopi na trg, oproščen davkov, kar je lahko precej spodoben znesek, saj so takšni avtomobili praviloma dražji od svojih analogov s tradicionalnim notranjim zgorevanjem. motorji. Tako postanejo hibridi kot nakup še bolj privlačni. Res je, doslej ta zakon velja le za modele, ki vstopajo na trg, dokler ne dosežejo prodajne ravni 60.000 avtomobilov, nato pa se ugodnost samodejno prekliče.

Elektronika

Ne tako dolgo nazaj so se gorivne celice vse bolj uporabljale v prenosnih računalnikih, Mobilni telefoni in druge mobilne elektronske naprave. Razlog za to je bila hitro naraščajoča požrešnost naprav, zasnovanih za dolgo življenjsko dobo baterije. Zaradi uporabe velikih zaslonov na dotik v telefonih, zmogljivih zvočnih zmogljivosti in uvedbe podpore za Wi-Fi, Bluetooth in druge visokofrekvenčne brezžične komunikacijske protokole so se spremenile tudi zahteve glede kapacitete baterije. In čeprav so baterije že od časov prvih mobilnih telefonov prišle daleč, po zmogljivosti in kompaktnosti (sicer danes navijačev s tem orožjem s komunikacijsko funkcijo ne bi smeli na stadione), še vedno ne dohajajo z miniaturizacijo elektronskih vezij, niti z željo proizvajalcev, da bi v svoje izdelke vgradili vse več funkcij. Druga pomembna pomanjkljivost trenutnih baterij je njihov dolg čas polnjenja. Vse vodi k dejstvu, da več funkcij v telefonu ali žepnem multimedijskem predvajalniku, namenjenem povečanju avtonomije njegovega lastnika (brezžični internet, navigacijski sistemi itd.), Bolj je ta naprava odvisna od "vtičnice".

O prenosnikih, ki so veliko manjši od tistih, ki so omejeni na največje velikosti, ni kaj reči. Že dolgo se je oblikovala niša ultra učinkovitih prenosnikov, ki sploh niso namenjeni avtonomnemu delovanju, razen takšnemu prenosu iz ene pisarne v drugo. In tudi najbolj stroškovno učinkoviti člani sveta prenosnikov se trudijo zagotoviti celodnevno življenjsko dobo baterije. Zato je vprašanje iskanja alternative tradicionalnim baterijam, ki ne bi bile dražje, a tudi veliko učinkovitejše, zelo pereče. In vodilni predstavniki industrije so pred kratkim reševali ta problem. Ne tako dolgo nazaj so bile uvedene komercialne metanolne gorivne celice, katerih množične dobave se lahko začnejo že prihodnje leto.

Raziskovalci so iz nekega razloga izbrali metanol namesto vodika. Metanol je veliko lažje shraniti, ker ne zahteva visokega tlaka ali posebnega temperaturni režim. Metilni alkohol je tekočina pri -97,0°C do 64,7°C. Pri čemer specifično energijo Vsebuje se v N-ti prostornini metanola za red velikosti več kot v enakem volumnu vodika pod visokim tlakom. Tehnologija gorivnih celic z neposrednim metanolom, ki se pogosto uporablja v mobilnih elektronskih napravah, vključuje uporabo metanola po preprostem polnjenju posode gorivnih celic, pri čemer se mimo postopka katalitične pretvorbe (od tod ime "neposredni metanol"). To je tudi velika prednost te tehnologije.

Vendar, kot bi pričakovali, so imeli vsi ti plusi svoje minuse, ki so znatno omejili obseg njegove uporabe. Glede na dejstvo, da ta tehnologija še ni v celoti razvita, ostaja nerešen problem nizke učinkovitosti takšnih gorivnih celic zaradi "puščanja" metanola skozi material membrane. Poleg tega nimajo impresivnih dinamičnih lastnosti. Ni se lahko odločiti, kaj storiti z ogljikovim dioksidom, ki nastane na anodi. Sodobne naprave DMFC niso sposobne proizvajati visoke energije, imajo pa visoko energijsko zmogljivost za majhno količino snovi. To pomeni, da čeprav veliko energije še ni na voljo, jo lahko tvorijo neposredne metanolne gorivne celice. dolgo časa. To jim zaradi majhne moči ne omogoča neposredne uporabe v vozilih, so pa skoraj idealna rešitev za mobilne naprave, pri katerih je življenjska doba baterije kritična.

Najnovejši trendi

Čeprav se gorivne celice za vozila proizvajajo že dolgo, se te rešitve doslej niso razširile. Razlogov za to je veliko. In glavni so gospodarska neprimernost in nepripravljenost proizvajalcev, da bi začeli proizvodnjo cenovno dostopnega goriva. Poskusi izsiljevanja naravnega procesa prehoda na obnovljive vire energije, kot bi lahko pričakovali, niso pripeljali do nič dobrega. Seveda se razlog za močno podražitev kmetijskih proizvodov precej ne skriva v tem, da so jih začeli množično pretvarjati v biogoriva, temveč v tem, da številne države v Afriki in Aziji ne morejo proizvesti dovolj proizvodov. celo za zadovoljitev domačega povpraševanja po izdelkih.

Očitno zavračanje uporabe biogoriv ne bo privedlo do bistvenega izboljšanja razmer na svetovnem trgu hrane, ampak, nasprotno, lahko prizadene evropske in ameriške kmete, ki so prvič po dolgih letih prejeli priložnost za dober zaslužek. Toda etičnega vidika tega vprašanja ni mogoče odpisati, grdo je polniti "kruh" v rezervoarje, ko na milijone ljudi strada. Zato še posebej evropski politiki do biotehnologije bo zdaj hladnejši odnos, kar potrjuje že revizija strategije prehoda na obnovljive vire energije.

V tej situaciji bi morala mikroelektronika postati najbolj obetavno področje uporabe gorivnih celic. Tu imajo gorivne celice največjo možnost, da se uveljavijo. Prvič, ljudje, ki kupujejo mobilne telefone, so bolj pripravljeni eksperimentirati kot recimo kupci avtomobilov. In drugič, pripravljeni so porabiti denar in praviloma niso naklonjeni "reševanju sveta". Kot potrditev tega lahko služi izjemen uspeh rdeče različice "Bono" iPod Nano, katerega del denarja od prodaje je šel Rdečemu križu.

"Bono" različica Apple iPod Nano

Med tistimi, ki so se posvetili gorivnim celicam za prenosno elektroniko, kot podjetja, ki so se prej specializirala za izdelavo gorivnih celic, zdaj pa so preprosto odkrila nova sfera njihove aplikacije in vodilni proizvajalci mikroelektronike. Pred kratkim je na primer MTI Micro, ki je svoje poslovanje preusmeril v proizvodnjo metanolnih gorivnih celic za mobilne elektronske naprave, napovedal, da bo začel množično proizvodnjo leta 2009. Predstavila je tudi prvo na svetu GPS napravo z metanolnimi gorivnimi celicami. Po besedah ​​predstavnikov tega podjetja bodo v bližnji prihodnosti njegovi izdelki popolnoma nadomestili tradicionalne litij-ionske baterije. Res je, sprva ne bodo poceni, vendar ta težava spremlja vsako novo tehnologijo.

Za podjetje, kot je Sony, ki je pred kratkim predstavilo svojo različico DMFC naprave na medijski pogon, so te tehnologije nove, vendar resno mislijo, da se ne izgubijo na obetavnem novem trgu. Sharp pa je šel še dlje in s svojim prototipom gorivnih celic nedavno postavil svetovni rekord za specifično energijsko zmogljivost 0,3 vata na kubični centimeter metanola. Celo vlade mnogih držav so se srečale s podjetji, ki proizvajajo te gorivne celice. Tako so letališča v ZDA, Kanadi, Veliki Britaniji, na Japonskem in na Kitajskem kljub strupenosti in vnetljivosti metanola preklicala prejšnje omejitve za njegov prevoz v kabini. Seveda je to dovoljeno le za certificirane gorivne celice z največjo prostornino 200 ml. Kljub temu to še enkrat potrjuje zanimanje za ta razvoj ne le navdušencev, ampak tudi držav.

Res je, proizvajalci se še vedno trudijo igrati na varno in gorivne celice ponujajo predvsem kot rezervni sistem napajanja. Ena od takih rešitev je kombinacija gorivne celice in baterije: medtem ko je gorivo, nenehno polni baterijo, po izpraznitvi pa uporabnik prazen vložek preprosto zamenja z novo posodo metanola. Drug priljubljen trend je ustvarjanje polnilnikov gorivnih celic. Uporabljajo se lahko na poti. Hkrati pa lahko zelo hitro polnijo baterije. Z drugimi besedami, v prihodnosti bo morda vsak nosil takšno »vtičnico« v žepu. Ta pristop je lahko še posebej pomemben v primeru mobilnih telefonov. Po drugi strani pa lahko prenosni računalniki v doglednem času pridobijo vgrajene gorivne celice, ki, če ne v celoti nadomestijo polnjenja iz "vtičnice", pa postanejo vsaj resna alternativa temu.

Tako bo po napovedi največjega nemškega kemičnega podjetja BASF, ki je pred kratkim napovedalo gradnjo svojega razvojnega centra gorivnih celic na Japonskem, do leta 2010 trg za te naprave znašal milijardo dolarjev. Hkrati njeni analitiki napovedujejo rast trga gorivnih celic na 20 milijard dolarjev do leta 2020. Mimogrede, BASF načrtuje razvoj gorivnih celic za prenosno elektroniko (zlasti prenosnike) in stacionarne energetske sisteme v tem centru. Kraj za to podjetje ni bil izbran po naključju - nemško podjetje vidi lokalna podjetja kot glavne kupce teh tehnologij.

Namesto sklepa

Seveda od gorivnih celic ne gre pričakovati, da bodo postale zamenjava za obstoječi sistem napajanja. Vsaj v bližnji prihodnosti. To je dvorezen meč: prenosne elektrarne so zagotovo učinkovitejše zaradi odsotnosti izgub, povezanih z dobavo električne energije potrošniku, vendar je vredno razmisliti tudi o tem, da lahko postanejo resen konkurent centraliziranemu oskrbi z električno energijo. samo, če je za te naprave ustvarjen centraliziran sistem oskrbe z gorivom. To pomeni, da je treba "vtičnico" sčasoma zamenjati z določeno cevjo, ki oskrbuje potrebne reagente v vsako hišo in vsak kotiček. In to ni ravno svoboda in neodvisnost od zunanjih virov toka, o kateri govorijo proizvajalci gorivnih celic.

Te naprave imajo nesporno prednost v obliki hitrosti polnjenja - preprosto so zamenjali metanolni vložek (v zadnje zatočišče, odmašil trofejo Jack Daniel "s) v fotoaparatu in spet skočil po stopnicah Louvra. Po drugi strani pa, če se bo recimo navaden telefon napolnil v dveh urah in bo zahteval polnjenje vsake 2-3 dni, potem je malo verjetno, da bo alternativa v obliki zamenjave kartuše, ki se prodaja samo v specializiranih trgovinah, celo enkrat na dva tedna, tako zelo povpraševana s strani množičnega uporabnika. In seveda, dokler teh nekaj sto mililitrov goriva skrit v varni hermetični posodi doseže končnega potrošnika, bo njegova cena imela čas, da se močno dvigne. Boriti se bo mogoče le z obsegom proizvodnje, a bo ta obseg povpraševan na trgu? In dokler ne bo optimalna vrsta izbrano gorivo, bo to težavo rešiti zelo problematično.

Po drugi strani pa je kombinacija tradicionalnega polnjenja, gorivnih celic in drugih alternativnih sistemov oskrbe z energijo (npr. sončnih kolektorjev) lahko rešitev problema diverzifikacije virov energije in prehoda na okoljske vrste. Vendar pa se za določeno skupino elektronskih izdelkov lahko gorivne celice široko uporabljajo. To potrjuje dejstvo, da je Canon pred kratkim patentiral lastne gorivne celice za digitalne fotoaparate in napovedal strategijo za vgradnjo teh tehnologij v svoje rešitve. Kar zadeva prenosne računalnike, če jih gorivne celice dosežejo v bližnji prihodnosti, potem najverjetneje le kot rezervni sistem napajanja. Zdaj na primer govorimo predvsem o zunanjih polnilnih modulih, ki so dodatno povezani s prenosnikom.

Toda te tehnologije imajo velike možnosti za dolgoročni razvoj. Zlasti v luči grožnje naftnega stradanja, ki se lahko zgodi v naslednjih nekaj desetletjih. V teh pogojih ni pomembneje niti, kako poceni bo proizvodnja gorivnih celic, ampak kolikšna bo proizvodnja goriva zanje ne glede na petrokemično industrijo in ali bo sposobna pokriti potrebe po njej.

Nikogar ne bodo presenetili niti sončni paneli niti vetrne turbine, ki proizvajajo električno energijo v vseh regijah sveta. Toda izhod teh naprav ni stalen in je treba namestiti rezervne vire energije ali priključiti na omrežje za prejemanje električne energije v obdobju, ko objekti obnovljivih virov energije ne proizvajajo električne energije. Vendar pa obstajajo naprave, razvite v 19. stoletju, ki uporabljajo "alternativna" goriva za proizvodnjo električne energije, torej ne kurijo plina ali naftnih derivatov. Takšne naprave so gorivne celice.

ZGODOVINA USTVARJANJA

Gorivne celice (FC) ali gorivne celice je že v letih 1838-1839 odkril William Grove (Grow, Grove), ko je preučeval elektrolizo vode.

Referenca: Elektroliza vode je proces razgradnje vode pod delovanjem električnega toka na molekule vodika in kisika.

Ko je odklopil baterijo iz elektrolitske celice, je presenečen ugotovil, da so elektrode začele absorbirati sproščeni plin in ustvarjati tok. Odkritje procesa elektrokemičnega "hladnega" zgorevanja vodika je postalo pomemben dogodek v energetski industriji. Kasneje je ustvaril akumulator Grove. Ta naprava je imela platinasto elektrodo, potopljeno v dušikovo kislino, in cinkovo ​​elektrodo v cinkov sulfat. Ustvaril je tok 12 amperov in napetost 8 voltov. Sam Grow je to konstrukcijo imenoval "mokra baterija". Nato je ustvaril baterijo z uporabo dveh platinastih elektrod. En konec vsake elektrode je bil v žveplovi kislini, drugi konci pa so bili zaprti v posodah z vodikom in kisikom. Med elektrodama je bil stabilen tok in količina vode v posodah se je povečala. Grow je bil sposoben razgraditi in izboljšati vodo v tej napravi.

"Grow's Battery"

(vir: Royal Society of National Museum of Natural History)

Izraz "gorivna celica" (angleško "Fuel Cell") se je pojavil šele leta 1889 s strani L. Monda in
Ch. Langer, ki je poskušal ustvariti napravo za proizvodnjo električne energije iz zraka in premogovega plina.

KAKO DELUJE?

Gorivna celica je razmeroma preprosta naprava. Ima dve elektrodi: anodo (negativna elektroda) in katodo (pozitivna elektroda). Na elektrodah poteka kemična reakcija. Za pospešitev je površina elektrod prevlečena s katalizatorjem. Gorivne celice so opremljene še z enim elementom - membrana. Pretvorba kemične energije goriva neposredno v električno nastane zaradi dela membrane. Ločuje dve komori elementa, v katerega se dovajata gorivo in oksidant. Membrana omogoča, da samo protoni, ki nastanejo kot posledica cepitve goriva, prehajajo iz ene komore v drugo na elektrodi, prevlečeni s katalizatorjem (elektroni nato tečejo skozi zunanji krog). V drugi komori se protoni rekombinirajo z elektroni (in atomi kisika), da tvorijo vodo.

Načelo delovanja vodikove gorivne celice

Na kemijski ravni je proces pretvorbe energije goriva v električno energijo podoben običajnemu procesu zgorevanja (oksidacije).

Pri normalnem zgorevanju v kisiku se organsko gorivo oksidira, kemična energija goriva pa se pretvori v toplotno energijo. Poglejmo, kaj se zgodi, ko vodik oksidira s kisikom v elektrolitskem mediju in ob prisotnosti elektrod.

Z dovajanjem vodika v elektrodo, ki se nahaja v alkalnem okolju, poteka kemična reakcija:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Kot lahko vidite, dobimo elektrone, ki ob prehodu skozi zunanje vezje vstopijo v nasprotno elektrodo, v katero vstopi kisik in kjer poteka reakcija:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Vidimo lahko, da je nastala reakcija 2H 2 + O 2 → H 2 O enaka kot pri običajnem zgorevanju, vendar gorivna celica proizvaja električno energijo in nekaj toplote.

VRSTE GORIVNIH CEL

FC je razvrščen glede na vrsto elektrolita, uporabljenega za reakcijo:

Opozoriti je treba, da se kot gorivo v gorivnih celicah lahko uporabljajo tudi premog, ogljikov monoksid, alkoholi, hidrazin in druge organske snovi, kot oksidanti pa zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušikova kislina itd.

Učinkovitost GORIVNIH CEL

Značilnost gorivnih celic je ni trde omejitve učinkovitosti kot toplotni motor.

Pomoč: učinkovitostCarnotov cikel je največji možni izkoristek med vsemi toplotnimi motorji z enakimi minimalnimi in najvišjimi temperaturami.

Zato je izkoristek gorivnih celic v teoriji lahko višji od 100%. Mnogi so se nasmehnili in mislili: "Izumljen je bil večni motor." Ne, vredno se je vrniti na šolski tečaj kemije. Gorivna celica temelji na pretvorbi kemične energije v električno energijo. Tu se dogajajo čudeži. Nekatere kemične reakcije v procesu lahko absorbirajo toploto iz okolja.

Referenca: Endotermne reakcije so kemične reakcije, ki jih spremlja absorpcija toplote. Za endotermne reakcije je sprememba entalpije in notranja energija imajo pozitivne vrednosti (Δ H >0, Δ U >0), zato reakcijski produkti vsebujejo več energije kot prvotne sestavine.

Primer takšne reakcije je oksidacija vodika, ki se uporablja v večini gorivnih celic. Zato je teoretično učinkovitost lahko več kot 100%. Toda danes se gorivne celice med delovanjem segrejejo in ne morejo absorbirati toplote iz okolja.

Referenca: To omejitev nalaga drugi zakon termodinamike. Proces prenosa toplote iz "hladnega" telesa v "vroče" ni možen.

Poleg tega obstajajo izgube, povezane z neravnovesnimi procesi. Kot so: ohmske izgube zaradi specifične prevodnosti elektrolita in elektrod, aktivacijska in koncentracijska polarizacija, difuzijske izgube. Posledično se del energije, ki nastane v gorivnih celicah, pretvori v toploto. Gorivne celice torej niso večni motorji in njihova učinkovitost je manjša od 100 %. Toda njihova učinkovitost je večja kot pri drugih strojih. danes učinkovitost gorivnih celic doseže 80 %.

Referenca: V štiridesetih letih je angleški inženir T. Bacon zasnoval in izdelal baterijo gorivnih celic s skupno močjo 6 kW in izkoristkom 80 %, ki deluje na čisti vodik in kisik, vendar se je razmerje moči in teže baterije spremenilo. premajhne - takšne celice so bile neprimerne za praktično uporabo in predrage (vir: http://www.powerinfo.ru/).

TEŽAVE Z GORIVNIMI CELICAMI

Skoraj vse gorivne celice uporabljajo vodik kot gorivo, zato je logično vprašanje: "Kje ga lahko dobim?"

Zdi se, da je bila gorivna celica odkrita kot posledica elektrolize, tako da lahko uporabite vodik, ki se sprosti kot posledica elektrolize. Toda poglejmo si ta postopek podrobneje.

Po Faradayevem zakonu: količina snovi, ki je oksidirana na anodi ali reducirana na katodi, je sorazmerna s količino električne energije, ki je prešla skozi elektrolit. To pomeni, da morate za pridobitev več vodika porabiti več električne energije. Obstoječe metode elektrolize vode delujejo z učinkovitostjo, manjšo od enote. Nato nastali vodik uporabimo v gorivnih celicah, kjer je tudi izkoristek manjši od enote. Zato bomo porabili več energije, kot jo lahko proizvedemo.

Seveda se lahko uporabi tudi vodik, pridobljen iz zemeljskega plina. Ta metoda proizvodnje vodika ostaja najcenejša in najbolj priljubljena. Trenutno se približno 50 % vodika, proizvedenega po vsem svetu, pridobi iz zemeljskega plina. Obstaja pa problem s shranjevanjem in transportom vodika. Vodik ima nizko gostoto ( en liter vodika tehta 0,0846 grama), zato ga je treba za prevoz na dolge razdalje stisniti. In to so dodatni stroški energije in denarnih sredstev. Prav tako ne pozabite na varnost.

Vendar pa obstaja tudi tukaj rešitev - tekoče ogljikovodikovo gorivo se lahko uporablja kot vir vodika. Na primer, etilni ali metilni alkohol. Res je, tukaj je že potrebna posebna dodatna naprava - pretvornik goriva, ki pri visoki temperaturi (za metanol bo nekje okoli 240 ° C) pretvarja alkohole v mešanico plinastega H 2 in CO 2. Toda v tem primeru je že težje razmišljati o prenosljivosti - takšne naprave je dobro uporabljati kot stacionarne ali avtomobilske generatorje, za kompaktno mobilno opremo pa potrebujete nekaj manj obsežnega.

Katalizator

Za izboljšanje reakcije v gorivni celici je površina anode običajno katalizator. Do nedavnega je bila platina uporabljena kot katalizator. Zato so bili stroški gorivnih celic visoki. Drugič, platina je relativno redka kovina. Po mnenju strokovnjakov bodo v industrijski proizvodnji gorivnih celic raziskane zaloge platine zmanjkale v 15-20 letih. Toda znanstveniki po vsem svetu poskušajo platino nadomestiti z drugimi materiali. Mimogrede, nekateri so dosegli dobre rezultate. Kitajski znanstveniki so torej platino zamenjali s kalcijevim oksidom (vir: www.cheburek.net).

UPORABA GORIVNIH CEL

Prvič je bila gorivna celica v avtomobilski tehnologiji preizkušena leta 1959. Traktor Alice-Chambers je za delovanje uporabljal 1008 baterij. Gorivo je bila mešanica plinov, predvsem propana in kisika.

Vir: http://www.planetseed.com/

Od sredine 60. let, na vrhuncu "vesoljske dirke", so se ustvarjalci vesoljskih plovil začeli zanimati za gorivne celice. Delo na tisoče znanstvenikov in inženirjev je omogočilo doseganje nove ravni in leta 1965. Gorivne celice so testirali v ZDA na vesoljski ladji Gemini 5, kasneje pa na vesoljskem plovilu Apollo za lete na Luno in po programu Shuttle. V ZSSR so gorivne celice razvili v NPO Kvant, tudi za uporabo v vesolju (vir: http://www.powerinfo.ru/).

Ker je končni produkt zgorevanja vodika v gorivnih celicah voda, veljajo za najčistejše z vidika vpliva na okolje. Zato so gorivne celice začele pridobivati ​​svojo priljubljenost v ozadju splošnega zanimanja za ekologijo.

Že zdaj so proizvajalci avtomobilov, kot so Honda, Ford, Nissan in Mercedes-Benz, ustvarili vozila, ki jih poganjajo vodikove gorivne celice.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force, ki ga poganja vodik

Pri uporabi avtomobilov na vodik je problem s shranjevanjem vodika rešen. Gradnja vodikovih polnilnic bo omogočila točenje goriva kjerkoli. Poleg tega je polnjenje avtomobila z vodikom hitrejše kot polnjenje električnega avtomobila na bencinski črpalki. Toda pri izvajanju tovrstnih projektov so se soočili s težavo, kot je težava električnih vozil. Ljudje so pripravljeni na "prestop" v avto na vodik, če zanje obstaja infrastruktura. In gradnja bencinskih črpalk se bo začela, če bo zadostno število potrošnikov. Zato smo spet prišli do dileme jajca in piščanca.

Gorivne celice se pogosto uporabljajo v mobilnih telefonih in prenosnih računalnikih. Časi, ko so telefon polnili enkrat na teden, so minili. Zdaj se telefon polni skoraj vsak dan, prenosnik pa brez omrežja deluje 3-4 ure. Zato so se proizvajalci mobilne tehnologije odločili sintetizirati gorivno celico s telefoni in prenosniki za polnjenje in delo. Na primer Toshiba leta 2003 prikazal končni prototip metanolne gorivne celice. Daje moč približno 100mW. Eno dolivanje 2 kocki koncentriranega (99,5 %) metanola zadostuje za 20 ur delovanja MP3 predvajalnika. Spet je ista "Toshiba" prikazala napajalni element za prenosni računalnik velikosti 275x75x40 mm, ki omogoča, da računalnik deluje 5 ur z enim polnjenjem.

Toda nekateri proizvajalci so šli dlje. PowerTrekk je izdal polnilnik z istim imenom. PowerTrekk je prvi polnilnik za vodo na svetu. Zelo enostavno ga je uporabljati. PowerTrekk potrebuje vodo, da zagotovi takojšnje napajanje prek kabla USB. Ta gorivna celica vsebuje silicijev prah in natrijev silicid (NaSi), ko se pomeša z vodo, ta kombinacija ustvarja vodik. Vodik se meša z zrakom v sami gorivni celici in pretvori vodik v električno energijo s svojo membransko izmenjavo protonov, brez ventilatorjev ali črpalk. Tak prenosni polnilnik lahko kupite za 149 € (

Ekologija znanja Znanost in tehnologija: Vodikova energija je ena najučinkovitejših industrij, gorivne celice pa ji omogočajo, da ostane v ospredju inovativnih tehnologij.

Gorivna celica je naprava, ki z elektrokemično reakcijo učinkovito ustvarja enosmerni tok in toploto iz goriva, bogatega z vodikom.

Gorivna celica je podobna bateriji, ker s kemično reakcijo ustvarja enosmerni tok. Tudi gorivna celica, tako kot baterija, vključuje anodo, katodo in elektrolit. Vendar pa za razliko od baterij gorivne celice ne morejo shraniti električne energije, se ne praznijo in ne potrebujejo električne energije za ponovno polnjenje. Gorivne celice lahko neprekinjeno proizvajajo električno energijo, dokler imajo zalogo goriva in zraka. Pravilen izraz za opis delujoče gorivne celice je sistem celic, saj za pravilno delovanje potrebuje nekatere pomožne sisteme.

Za razliko od drugih generatorjev energije, kot so motorji z notranjim zgorevanjem ali turbine, ki delujejo na plin, premog, olje itd., gorivne celice ne kurijo goriva. To pomeni brez hrupnih rotorjev visok pritisk, glasen hrup izpušnih plinov, tresljaji. Gorivne celice proizvajajo električno energijo s tiho elektrokemično reakcijo. Druga značilnost gorivnih celic je, da pretvarjajo kemično energijo goriva neposredno v elektriko, toploto in vodo.

Gorivne celice so zelo učinkovite in ne proizvajajo velikih količin toplogrednih plinov, kot so ogljikov dioksid, metan in dušikov oksid. Edini izpusti gorivnih celic so voda v obliki pare in majhna količina ogljikovega dioksida, ki se v primeru uporabe čistega vodika za gorivo sploh ne izpusti. Gorivne celice so sestavljene v sklope in nato v posamezne funkcionalne module.

Načelo delovanja gorivnih celic

Gorivne celice proizvajajo električno energijo in toploto zaradi tekoče elektrokemične reakcije z uporabo elektrolita, katode in anode.

Anoda in katoda sta ločeni z elektrolitom, ki prevaja protone. Ko vodik vstopi v anodo in kisik vstopi v katodo, se začne kemična reakcija, zaradi katere nastanejo električni tok, toplota in voda. Na anodnem katalizatorju molekularni vodik disociira in izgubi elektrone. Vodikovi ioni (protoni) se vodijo skozi elektrolit do katode, medtem ko se elektroni prenašajo skozi elektrolit in skozi zunanji električni tokokrog, kar ustvarja enosmerni tok, ki se lahko uporablja za napajanje opreme. Na katodnem katalizatorju se molekula kisika združi z elektronom (ki se napaja iz zunanjih komunikacij) in vhodnim protonom ter tvori vodo, ki je edini produkt reakcije (v obliki hlapov in/ali tekočine).

Spodaj je ustrezna reakcija:

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reakcija splošnega elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Vrste gorivnih celic

Tako kot obstajajo različne vrste motorjev z notranjim zgorevanjem, obstajajo različne vrste gorivnih celic – izbira primeren tip gorivna celica je odvisna od njene uporabe.Gorivne celice delimo na visokotemperaturne in nizkotemperaturne. Nizkotemperaturne gorivne celice potrebujejo relativno čist vodik kot gorivo.

To pogosto pomeni, da je za pretvorbo primarnega goriva (kot je zemeljski plin) v čisti vodik potrebna obdelava goriva. Ta postopek porabi dodatno energijo in zahteva posebno opremo. Visokotemperaturne gorivne celice ne potrebujejo tega dodatnega postopka, saj lahko "notranjo pretvorijo" gorivo pri povišanih temperaturah, kar pomeni, da ni treba vlagati v vodikovo infrastrukturo.

Gorivni elementi na staljenem karbonatu (MCFC).

Gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom so visokotemperaturne gorivne celice. Visoka delovna temperatura omogoča neposredno uporabo zemeljskega plina brez predelovalca goriva in nizkotemperaturnega kurilnega plina. kalorična vrednost gorivo proizvodnih procesov in iz drugih virov. Ta proces se je razvil sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja. Od takrat se je tehnologija izdelave, zmogljivost in zanesljivost izboljšala.

Delovanje RCFC se razlikuje od drugih gorivnih celic. Te celice uporabljajo elektrolit iz mešanice staljenih karbonatnih soli. Trenutno se uporabljata dve vrsti mešanic: litijev karbonat in kalijev karbonat ali litijev karbonat in natrijev karbonat. Za taljenje karbonatnih soli in doseganje visoke stopnje mobilnosti ionov v elektrolitu gorivne celice s staljenim karbonatnim elektrolitom delujejo pri visokih temperaturah (650°C). Učinkovitost se giblje med 60-80%.

Pri segrevanju na temperaturo 650°C postanejo soli prevodnik za karbonatne ione (CO32-). Ti ioni prehajajo s katode na anodo, kjer se združijo z vodikom in tvorijo vodo, ogljikov dioksid in proste elektrone. Ti elektroni se pošljejo skozi zunanji električni tokokrog nazaj na katodo, pri čemer nastanejo električni tok in toplota kot stranski produkt.

Anodna reakcija: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Reakcija splošnega elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke delovne temperature gorivnih celic iz staljenega karbonatnega elektrolita imajo določene prednosti. Pri visokih temperaturah se zemeljski plin notranje reformira, kar odpravlja potrebo po predelovalcu goriva. Poleg tega prednosti vključujejo možnost uporabe standardnih konstrukcijskih materialov, kot sta pločevina iz nerjavnega jekla in nikljev katalizator na elektrodah. Odpadna toplota se lahko uporablja za proizvodnjo visokotlačne pare za različne industrijske in komercialne namene.

Visoke reakcijske temperature v elektrolitu imajo tudi svoje prednosti. Uporaba visokih temperatur traja dlje časa, da doseže optimalne delovne pogoje, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Te lastnosti omogočajo uporabo sistemov gorivnih celic s staljenim karbonatnim elektrolitom v pogojih konstantne moči. Visoke temperature preprečujejo poškodbe gorivnih celic zaradi ogljikovega monoksida, "zastrupitve" itd.

Gorivne celice iz staljenega karbonata so primerne za uporabo v velikih stacionarnih napravah. Industrijsko proizvedene termoelektrarne z močjo električna energija 2,8 MW. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice na osnovi fosforne kisline (PFC).

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline so bile prve gorivne celice za komercialno uporabo. Ta proces je bil razvit sredi šestdesetih let prejšnjega stoletja in je bil preizkušen od sedemdesetih let prejšnjega stoletja. Od takrat so se stabilnost, zmogljivost in stroški povečali.

Gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline uporabljajo elektrolit na osnovi ortofosforne kisline (H3PO4) s koncentracijo do 100 %. Ionska prevodnost fosforne kisline je nizka pri nizkih temperaturah, zato se te gorivne celice uporabljajo pri temperaturah do 150–220°C.

Nosilec polnjenja v gorivnih celicah te vrste je vodik (H+, proton). Podoben proces se dogaja v gorivnih celicah z membrano za izmenjavo protonov (MEFC), pri katerih se vodik, ki se dovaja na anodo, razdeli na protone in elektrone. Protoni prehajajo skozi elektrolit in se združujejo s kisikom iz zraka na katodi, da tvorijo vodo. Elektroni so usmerjeni vzdolž zunanjega električnega tokokroga in nastane električni tok. Spodaj so reakcije, ki proizvajajo elektriko in toploto.

Anodna reakcija: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reakcija splošnega elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost gorivnih celic na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline je pri pridobivanju električne energije več kot 40 %. Pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je skupni izkoristek približno 85 %. Poleg tega se glede na delovne temperature lahko odpadna toplota uporablja za ogrevanje vode in ustvarjanje pare pri atmosferskem tlaku.

Visoka zmogljivost termoelektrarn na gorivne celice na osnovi fosforne (ortofosforne) kisline pri kombinirani proizvodnji toplote in električne energije je ena od prednosti te vrste gorivnih celic. Rastline uporabljajo ogljikov monoksid v koncentraciji okoli 1,5 %, kar močno razširi izbiro goriva. Poleg tega CO2 ne vpliva na elektrolit in delovanje gorivnih celic, ta tip celic deluje z reformiranim naravnim gorivom. Enostavna konstrukcija, nizka hlapnost elektrolitov in povečana stabilnost so tudi prednosti te vrste gorivnih celic.

Termoelektrarne z izhodno električno močjo do 400 kW so industrijsko proizvedene. Naprave za 11 MW so prestale ustrezne preizkuse. Razvijajo se naprave z izhodno močjo do 100 MW.

Gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov (PME)

Najbolj veljajo gorivne celice z membrano za izmenjavo protonov najboljši tip gorivnih celic za ustvarjanje moči vozila, ki lahko nadomesti bencinske in dizelske motorje z notranjim zgorevanjem. Te gorivne celice je NASA najprej uporabila za program Gemini. Danes se razvijajo in demonstrirajo instalacije na MOPFC z močjo od 1 W do 2 kW.

Te gorivne celice uporabljajo trdno polimerno membrano (tanek plastični film) kot elektrolit. Ko je impregniran z vodo, ta polimer prehaja protone, vendar ne prevaja elektronov.

Gorivo je vodik, nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Na anodi se molekula vodika loči na vodikov ion (proton) in elektrone. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit do katode, medtem ko se elektroni premikajo po zunanjem krogu in proizvajajo električno energijo. Kisik, ki se vzame iz zraka, se dovaja na katodo in se združi z elektroni in vodikovimi ioni, da tvori vodo. Na elektrodah potekajo naslednje reakcije:

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reakcija splošnega elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

V primerjavi z drugimi vrstami gorivnih celic gorivne celice s protonsko izmenjevalno membrano proizvajajo več moči za dano prostornino ali težo gorivnih celic. Ta lastnost jim omogoča, da so kompaktni in lahki. Poleg tega je delovna temperatura manjša od 100°C, kar omogoča hiter začetek delovanja. Te lastnosti, pa tudi zmožnost hitrega spreminjanja izhodne energije, so le nekatere od lastnosti, zaradi katerih so te gorivne celice glavni kandidat za uporabo v vozilih.

Druga prednost je, da je elektrolit trdna in ne tekoča snov. Zadrževanje plinov na katodi in anodi je lažje s trdnim elektrolitom, zato je izdelava takšnih gorivnih celic cenejša. V primerjavi z drugimi elektroliti uporaba trdnega elektrolita ne povzroča težav kot je orientacija, manj je težav zaradi pojava korozije, kar vodi v daljšo obstojnost celice in njenih komponent.

Trdne oksidne gorivne celice (SOFC)

Gorivne celice s trdnim oksidom so gorivne celice z najvišjo delovno temperaturo. Delovna temperatura se lahko giblje od 600°C do 1000°C, kar omogoča uporabo različnih vrst goriva brez posebne predobdelave. Za obvladovanje teh visokih temperatur je uporabljen elektrolit tanek trdi kovinski oksid na osnovi keramike, pogosto zlitina itrija in cirkonija, ki je prevodnik kisikovih (O2-) ionov. Tehnologija uporabe trdnih oksidnih gorivnih celic se razvija od poznih petdesetih let prejšnjega stoletja. in ima dve konfiguraciji: plosko in cevasto.

Trden elektrolit zagotavlja hermetični plinski prehod z ene elektrode na drugo, medtem ko se tekoči elektroliti nahajajo v poroznem substratu. Nosilec naboja v gorivnih celicah te vrste je kisikov ion (О2-). Na katodi se molekule kisika ločijo od zraka na kisikov ion in štiri elektrone. Ioni kisika prehajajo skozi elektrolit in se združijo z vodikom, da tvorijo štiri proste elektrone. Elektroni so usmerjeni skozi zunanji električni tokokrog, ki proizvaja električni tok in odpadno toploto.

Anodna reakcija: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-
Reakcija splošnega elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Učinkovitost proizvedene električne energije je najvišja od vseh gorivnih celic - približno 60%. Poleg tega visoke delovne temperature omogočajo kombinirano proizvodnjo toplote in električne energije za ustvarjanje visokotlačne pare. Kombinacija visokotemperaturne gorivne celice s turbino ustvari hibridno gorivno celico za povečanje učinkovitosti proizvodnje električne energije do 70%.

Gorivne celice s trdnim oksidom delujejo pri zelo visokih temperaturah (600°C - 1000°C), zaradi česar dolgo časa dosežejo optimalne delovne pogoje, sistem pa se počasneje odziva na spremembe v porabi energije. Pri tako visokih obratovalnih temperaturah ni potreben pretvornik za pridobivanje vodika iz goriva, kar termoelektrarni omogoča delovanje z relativno nečistimi gorivi iz uplinjanja premoga ali odpadnih plinov in podobno. Poleg tega je ta gorivna celica odlična za aplikacije z visoko močjo, vključno z industrijskimi in velikimi centralnimi elektrarnami. Industrijsko proizvedeni moduli z izhodno električno močjo 100 kW.

Gorivne celice z direktno oksidacijo metanola (DOMTE)

Tehnologija uporabe gorivnih celic z neposredno oksidacijo metanola je v obdobju aktivnega razvoja. Uspešno se je uveljavil na področju napajanja mobilnih telefonov, prenosnikov, kot tudi za ustvarjanje prenosnih virov napajanja. čemu je namenjena prihodnja uporaba teh elementov.

Struktura gorivnih celic z neposredno oksidacijo metanola je podobna gorivnim celicam s protonsko izmenjevalno membrano (MOFEC), t.j. kot elektrolit se uporablja polimer, kot nosilec naboja pa vodikov ion (proton). Vendar se tekoči metanol (CH3OH) oksidira v prisotnosti vode na anodi, pri čemer se sprosti CO2, vodikovi ioni in elektroni, ki se vodijo skozi zunanji električni tokokrog, in nastane električni tok. Vodikovi ioni prehajajo skozi elektrolit in reagirajo s kisikom iz zraka in elektroni iz zunanjega vezja, da tvorijo vodo na anodi.

Anodna reakcija: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Reakcija splošnega elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Razvoj teh gorivnih celic se je začel v zgodnjih devetdesetih letih. Po razvoju izboljšanih katalizatorjev in zahvaljujoč drugim nedavnim inovacijam sta se gostota moči in učinkovitost povečali do 40%.

Ti elementi so bili testirani v temperaturnem območju 50-120°C. Z nizkimi delovnimi temperaturami in brez potrebe po pretvorniku so gorivne celice z neposrednim metanolom najboljši kandidat za aplikacije, ki segajo od mobilnih telefonov in drugih potrošniških izdelkov do avtomobilskih motorjev. Prednost te vrste gorivnih celic je njihova majhna velikost zaradi uporabe tekočega goriva in odsotnost potrebe po uporabi pretvornika.

Alkalne gorivne celice (AFC)

Alkalne gorivne celice (ALFC) so ena najbolj raziskanih tehnologij in se uporabljajo od sredine šestdesetih let prejšnjega stoletja. NASA v programih Apollo in Space Shuttle. Na krovu teh vesoljskih plovil gorivne celice proizvajajo električno energijo in pitno vodo. Alkalne gorivne celice so eden najučinkovitejših elementov, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije, z učinkovitostjo proizvodnje energije do 70%.

Alkalne gorivne celice uporabljajo elektrolit, to je vodno raztopino kalijevega hidroksida, ki je v porozni, stabilizirani matrici. Koncentracija kalijevega hidroksida se lahko razlikuje glede na delovno temperaturo gorivnih celic, ki se giblje od 65°C do 220°C. Nosilec naboja v SFC je hidroksidni ion (OH-), ki se premika od katode do anode, kjer reagira z vodikom, da nastane voda in elektroni. Voda, ki nastane na anodi, se premakne nazaj na katodo in tam spet ustvari hidroksidne ione. Kot rezultat te serije reakcij, ki potekajo v gorivnih celicah, nastane električna energija in kot stranski produkt toplota:

Anodna reakcija: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Splošna reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SFC-jev je, da so te gorivne celice najcenejše za proizvodnjo, saj je katalizator, potreben na elektrodah, lahko katera koli od snovi, ki so cenejše od tistih, ki se uporabljajo kot katalizatorji za druge gorivne celice. Poleg tega SCFC delujejo pri razmeroma nizki temperaturi in so med najučinkovitejšimi gorivnimi celicami – takšne lastnosti lahko prispevajo k hitrejši proizvodnji energije in visoki učinkovitosti porabe goriva.

Eden od značilne lastnosti SHTE - visoka občutljivost na CO2, ki ga lahko vsebuje gorivo ali zrak. CO2 reagira z elektrolitom, ga hitro zastrupi in močno zmanjša učinkovitost gorivne celice. Zato je uporaba SFC omejena na zaprte prostore, kot so vesoljska in podvodna vozila, delovati morajo na čisti vodik in kisik. Poleg tega so molekule, kot so CO, H2O in CH4, ki so varne za druge gorivne celice, za nekatere pa celo gorivo, škodljive za SFC.

Gorivne celice iz polimernega elektrolita (PETE)

V primeru gorivnih celic s polimernim elektrolitom je polimerna membrana sestavljena iz polimernih vlaken z vodnimi predeli, v katerih je prevodnost vodnih ionov H2O+ (proton, rdeča) vezana na molekulo vode. Molekule vode predstavljajo težavo zaradi počasne ionske izmenjave. Zato je tako v gorivu kot na izpušnih elektrodah potrebna visoka koncentracija vode, kar omejuje delovno temperaturo na 100°C.

Trdne kislinske gorivne celice (SCFC)

V gorivnih celicah s trdno kislino elektrolit (CsHSO4) ne vsebuje vode. Delovna temperatura je torej 100-300°C. Rotacija SO42-oksi anionov omogoča, da se protoni (rdeči) premikajo, kot je prikazano na sliki.

Običajno je gorivna celica s trdno kislino sendvič, v katerem je zelo tanek sloj trdne kislinske spojine stisnjen med dve tesno stisnjeni elektrodi, da se zagotovi dober stik. Pri segrevanju organska komponenta izhlapi in zapusti pore v elektrodah, pri čemer ohrani sposobnost številnih stikov med gorivom (ali kisikom na drugem koncu celic), elektrolitom in elektrodami. Objavljeno

Vrsta gorivnih celic	Delovna temperatura	Učinkovitost proizvodnje energije	Vrsta goriva	Območje uporabe
RKTE	550–700°C	50-70%		Srednje in velike instalacije
FKTE	100–220°C	35-40%	čisti vodik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodik	Majhne instalacije
SOFC	450–1000°C	45-70%	Večina ogljikovodikov	Male, srednje in velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Prenosne enote
SHTE	50–200°C	40-65%	čisti vodik	vesoljske raziskave
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodik	Majhne instalacije

Pridružite se nam na

Kmalu po začetku svojega potovanja bo Aloy naletel na bunker Forerunner, ki se nahaja tik pred deželami plemena Nora. V notranjosti bunkerja, za močnimi vrati, je nekakšen oklep, ki je od daleč videti zelo privlačen.

telegraf

tweet

Kmalu po začetku svojega potovanja bo Aloy naletel na bunker Forerunner, ki se nahaja tik pred deželami plemena Nora. V notranjosti bunkerja, za močnimi vrati, je nekakšen oklep, ki je od daleč videti zelo privlačen.

To je pravzaprav Shield Weaver - najboljša oprema v igri. Kako priti do njega? Če želite odpreti nepredušna vrata bunkerja in dobiti Shield Weaver, boste morali najti pet gorivnih celic, raztresenih po svetu igre.

Spodaj vam bomo pokazali, kje iskati gorivne celice in kako rešiti uganke med iskanjem in v starodavni orožarnici.

Gorivna celica št. 1 - materino srce (iskanje materine maternice)

Aloy bo našel prvo gorivno celico, še preden se bo napolnila odprt svet. Po iniciaciji se bo naša junakinja znašla v Srcu matere, svetem kraju plemena Nora in bivališču matriarhov.

Ko bo vstala iz postelje, bo Aloy zaporedoma šla skozi več sob in v eni od njih naletela na zaprta vrata, ki jih ni mogoče odpreti. Poglejte okoli - v bližini bo prezračevalni jašek, okrašen z gorečimi svečami. ti tam.

Ko greste skozi rudnik, se boste znašli za zaklenjenimi vrati. Poglejte na tla poleg sveč in skrivnostnega stenskega bloka - tukaj je gorivna celica.

Pomembno: Če te gorivne celice ne vzamete zdaj, boste lahko ponovno prišli do te lokacije šele v kasnejših fazah igre, potem ko boste opravili nalogo "Heart of the Burrow".

Gorivna celica #2 - ruševine

Aloy je bila v teh ruševinah že prej – sem padla kot otrok. Po prehodu iniciacije se je vredno spomniti svojega otroštva in se spet vrniti sem - pobrati drugi goriv element.

Vhod v ruševine izgleda takole, skoči krepko.

Potrebujete prvo raven ruševin, spodnje desno območje na zemljevidu je označeno z vijolično barvo. Tukaj so vrata, ki jih bo Aloy odprl s svojo sulico.

Ko greste skozi vrata, pojdite po stopnicah in zavijte desno - Aloy se v mladosti ni mogla povzpeti skozi te kapnike, zdaj pa se je sprla. Ponovno vzemite sulico in zlomite kapnike - pot je čista, še vedno je treba vzeti gorivni element, ki leži na mizi.

Gorivna celica #3 - Master's Limit (Master's Limit Quest)

Gremo proti severu. Med iskanjem zgodbe, Master's Reach, Aloy raziskuje velikanske ruševine Forerunnerja. Na dvanajsti ravni ruševin je skrita še ena gorivna celica.

Ne samo, da se morate povzpeti na zgornjo raven ruševin, ampak se povzpeti tudi nekoliko višje. Povzpnite se po preživelem delu stavbe, dokler se ne znajdete na majhni ploščadi, odprti za vse vetrove.

Tu leži tretja gorivna celica. Ostaja še dol.

Gorivna celica #4 - Zaklad smrti (naloga Zaklad smrti)

Ta goriv element je skrit tudi v severnem delu zemljevida, vendar je veliko bližje deželam plemena Nora. Aloy bo sem prišel tudi med prehodom misije zgodbe.

Da pride do elementa, mora Aloy obnoviti napajanje zaprtih vrat, ki se nahajajo na tretji ravni lokacije.

Če želite to narediti, morate rešiti majhno uganko - na nivoju pod vrati sta dva bloka štirih regulatorjev.

Najprej se ukvarjajmo z levim blokom regulatorjev. Prvi gumb naj "gleda" navzgor, drugi "na desno", tretji "na levo", četrti "navzdol".

Preidemo na desni blok. Prvih dveh regulatorjev se ne dotikate, tretji in četrti regulator naj gledata "dol".

Dvignemo se za eno stopnjo navzgor - tukaj je zadnji blok regulatorjev. Pravilen vrstni red je: gor, dol, levo, desno.

Če naredite vse pravilno, bodo vse kontrole spremenile barvo v turkizno, napajanje je obnovljeno. Povzpnite se nazaj do vrat in jih odprite - to je druga gorivna celica.

Gorivna celica #5 - GAIA Prime (iskanje Fallen Mountain)

Končno še zadnja gorivna celica - in spet na zapletu. Aloy odpotuje do ruševin GAEA Prime.

Bodite še posebej previdni, ko pridete do tretje stopnje. V nekem trenutku bo pred Alo privlačno brezno, v katero se lahko spustiš po vrvi - greš tja ni potrebno.

Bolje je, da zavijete levo in raziščete skrito jamo, vanjo lahko pridete, če se previdno spustite po pobočju gore.

Pridi noter in pojdi naprej do samega konca. V zadnji sobi na desni bo stojalo z zadnjo gorivno celico. Ti si naredil!

Na poti do antičnega arzenala

Ostaja še vrniti se v starodavni arzenal in prejeti zasluženo nagrado. Se spomnite koordinat arzenala? Če ne, je tukaj zemljevid.

Spustite se in vstavite gorivne celice v prazne celice. Regulatorji so v ognju, zdaj morate rešiti uganko, da odprete vrata.

Prvi gumb naj gleda navzgor, drugi v desno, tretji navzdol, četrti v levo, peti navzgor. Končano, vrata so odprta - vendar še ni konec.

Zdaj morate odkleniti oklepne nosilce, še eno uganko regulatorja, kjer bodo preostale gorivne celice prišle prav. Tukaj mora prvi gumb gledati v desno, drugi v levo, tretji navzgor, četrti v desno, peti v levo.

Končno ste po vseh teh mukah prevzeli starodavni oklep. To je Shield Weaver, zelo kul kos opreme, zaradi katere je Aloy nekaj časa praktično neranljiv.

Glavna stvar je skrbno spremljati barvo oklepa: če utripa belo, potem je vse v redu. Če je rdeča, zaščite ni več.

Upravljajo jih vesoljska plovila ameriške nacionalne uprave za aeronavtiko in vesolje (NASA). Zagotavljajo napajanje računalnikov Prve nacionalne banke v Omahi. Uporabljajo se na nekaterih javnih mestnih avtobusih v Chicagu.

Vse to so gorivne celice. Gorivne celice so elektrokemične naprave, ki proizvajajo električno energijo brez procesa zgorevanja – kemično, podobno kot baterije. Edina razlika je v tem, da uporabljajo različne kemične snovi, vodik in kisik, produkt kemične reakcije pa je voda. Lahko se uporablja tudi zemeljski plin, seveda pa je pri uporabi ogljikovodikovih goriv neizogibna določena raven emisij ogljikovega dioksida.

Ker lahko gorivne celice delujejo z visokim izkoristkom in brez škodljivih emisij, obetajo kot trajnostni vir energije, ki bo pomagal zmanjšati emisije toplogrednih plinov in drugih onesnaževal. Glavna ovira za široko uporabo gorivnih celic je njihova visoka cena v primerjavi z drugimi napravami, ki proizvajajo električno energijo ali poganjajo vozila.

Zgodovina razvoja

Prve gorivne celice je demonstriral sir William Groves leta 1839. Groves je pokazal, da je proces elektrolize – cepitev vode na vodik in kisik pod delovanjem električnega toka – reverzibilen. To pomeni, da se lahko vodik in kisik kemično združita v elektriko.

Po tem, ko se je to pokazalo, so številni znanstveniki hiteli skrbno preučevati gorivne celice, a izum motorja z notranjim zgorevanjem in razvoj infrastrukture za pridobivanje zalog nafte v drugi polovici devetnajstega stoletja sta razvoj gorivnih celic pustila daleč zadaj. Še bolj je razvoj gorivnih celic ovirala njihova visoka cena.

Porast razvoja gorivnih celic je prišel v petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko se je NASA obrnila nanje v zvezi s potrebo po kompaktnem električnem generatorju za vesoljske polete. Vložena so bila ustrezna sredstva in posledično sta bila leta Apolla in Geminija izvedena na gorivne celice. Vesoljska plovila delujejo tudi na gorivne celice.

Gorivne celice so še vedno v veliki meri eksperimentalna tehnologija, vendar jih več podjetij že prodaja na komercialnem trgu. Samo v zadnjih skoraj desetih letih je bil dosežen pomemben napredek v komercialni tehnologiji gorivnih celic.

Kako deluje gorivna celica

Gorivne celice so kot baterije - proizvajajo električno energijo s kemično reakcijo. Nasprotno pa motorji z notranjim zgorevanjem kurijo gorivo in tako proizvajajo toploto, ki se nato pretvori v mehansko energijo. Če se toplota izpušnih plinov ne uporablja na nek način (na primer za ogrevanje ali klimatizacijo), potem lahko rečemo, da je izkoristek motorja z notranjim zgorevanjem precej nizek. Pričakuje se na primer, da bo učinkovitost gorivnih celic pri uporabi v vozilu – projekt, ki je trenutno v razvoju – več kot dvakrat učinkovitejši od današnjih tipičnih bencinskih motorjev, ki se uporabljajo v avtomobilih.

Čeprav tako baterije kot gorivne celice proizvajajo električno energijo kemično, opravljajo dve zelo različni funkciji. Baterije so shranjene energijske naprave: električna energija, ki jo proizvajajo, je posledica kemične reakcije snovi, ki je že v njih. Gorivne celice ne shranjujejo energije, ampak del energije iz zunanjega goriva pretvorijo v električno energijo. V tem pogledu je gorivna celica bolj podobna konvencionalni elektrarni.

Obstaja več različnih vrst gorivnih celic. Najenostavnejša gorivna celica je sestavljena iz posebne membrane, znane kot elektrolit. Na obeh straneh membrane se nanesejo elektrode v prahu. Ta zasnova - elektrolit, obdan z dvema elektrodama - je ločen element. Vodik teče na eno stran (anoda) in kisik (zrak) na drugo (katoda). Vsaka elektroda ima drugačno kemično reakcijo.

Na anodi se vodik razgradi v mešanico protonov in elektronov. V nekaterih gorivnih celicah so elektrode obdane s katalizatorjem, običajno iz platine ali drugih plemenitih kovin, ki spodbuja disociacijsko reakcijo:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = dvoatomska molekula vodika, oblika, in

v katerem je vodik prisoten kot plin;

H+ = ioniziran vodik, t.j. proton;

e- = elektron.

Delovanje gorivne celice temelji na dejstvu, da elektrolit prehaja protone skozi sebe (proti katodi), elektroni pa ne. Elektroni se premikajo proti katodi vzdolž zunanjega prevodnega vezja. To gibanje elektronov je električni tok, ki se lahko uporablja za napajanje zunanje naprave, povezane z gorivno celico, kot je električni motor ali žarnica. Ta naprava se običajno imenuje "obremenitev".

Na katodni strani gorivne celice se protoni (ki so prešli skozi elektrolit) in elektroni (ki so prešli skozi zunanjo obremenitev) "rekombinirajo" in reagirajo s kisikom, ki se dovaja na katodo, da tvorijo vodo, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Celotna reakcija v gorivni celici je zapisana kot:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Gorivne celice pri svojem delu uporabljajo vodikovo gorivo in kisik iz zraka. Vodik se lahko dobavlja neposredno ali z ločitvijo od zunanjega vira goriva, kot so zemeljski plin, bencin ali metanol. V primeru zunanjega vira ga je treba kemično pretvoriti v ekstrakcijo vodika. Ta proces se imenuje "reformiranje". Vodik je mogoče pridobiti tudi iz amoniaka, alternativnih virov, kot je plin iz mestnih odlagališč in čistilnih naprav ter elektrolize vode, ki uporablja elektriko za razgradnjo vode na vodik in kisik. Trenutno večina tehnologij gorivnih celic, ki se uporabljajo v prometu, uporablja metanol.

Razvita so bila različna sredstva za reformiranje goriva za proizvodnjo vodika za gorivne celice. Ameriško ministrstvo za energijo je razvilo tovarno za gorivo v reformatorju bencina za oskrbo z vodikom v samostojni gorivni celici. Raziskovalci iz Pacific Northwest National Laboratory v ZDA so dokazali kompaktni reformator goriva, ki je desetina velikosti agregata. Ameriško podjetje, Northwest Power Systems in Sandia National Laboratory so pokazali reformator goriva, ki pretvarja dizelsko gorivo v vodik za gorivne celice.

Posamezno gorivne celice proizvedejo približno 0,7-1,0 voltov vsaka. Za povečanje napetosti so elementi sestavljeni v "kaskado", t.j. serijska povezava. Za ustvarjanje več toka so sklopi kaskadnih elementov povezani vzporedno. Če kombinirate kaskade gorivnih celic z gorivno napravo, sistemom za dovod zraka in hlajenja ter krmilnim sistemom, dobite motor na gorivne celice. Ta motor lahko poganja vozilo, stacionarno elektrarno ali prenosni električni generator6. Motorji na gorivne celice so na voljo v različnih velikostih, odvisno od uporabe, vrste gorivnih celic in uporabljenega goriva. Na primer, velikost vsake od štirih ločenih stacionarnih elektrarn z močjo 200 kW, nameščenih na banki v Omahi, je približno enaka velikosti prikolice tovornjaka.

Aplikacije

Gorivne celice se lahko uporabljajo v stacionarnih in mobilnih napravah. V odgovor na zaostritev ameriških predpisov o emisijah so avtomobilski proizvajalci, vključno z DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda in Nissan, eksperimentirali in demonstrirali vozila na gorivne celice. Prva komercialna vozila na gorivne celice naj bi prišla na ceste leta 2004 ali 2005.

Pomemben mejnik v zgodovini tehnologije gorivnih celic je bila junija 1993 predstavitev eksperimentalnega 32-metrskega mestnega avtobusa Ballard Power System z 90 kilovatnim motorjem na vodikove gorivne celice. Od takrat veliko različni tipi in različne generacije osebnih vozil na gorivne celice, ki jih poganja različni tipi gorivo. Od konca leta 1996 so v Palm Desert v Kaliforniji v uporabi trije vozički za golf na vodikove gorivne celice. Na cestah Chicaga, Illinois; Vancouver, Britanska Kolumbija; in Oslo na Norveškem preizkušata mestne avtobuse na gorivne celice. Taksiji z alkalnimi gorivnimi celicami se testirajo na ulicah Londona.

Predstavljajo se tudi fiksne inštalacije, ki uporabljajo tehnologijo gorivnih celic, ki pa se še ne uporabljajo v široki komercialni uporabi. Prva narodna banka Omahe v Nebraski uporablja sistem gorivnih celic za napajanje računalnikov, ker je sistem bolj zanesljiv kot stari omrežni sistem z rezervno baterijo. Največji komercialni 1,2 MW sistem gorivnih celic na svetu bo kmalu nameščen v poštnem centru na Aljaski. Preizkušajo in demonstrirajo tudi prenosne računalnike z gorivnimi celicami, krmilne sisteme, ki se uporabljajo v čistilnih napravah in prodajnih avtomatih.

"Prednosti in slabosti"

Gorivne celice imajo številne prednosti. Medtem ko je izkoristek sodobnih motorjev z notranjim zgorevanjem le 12-15%, je pri gorivnih celicah ta koeficient 50%. Učinkovitost gorivnih celic lahko ostane precejšnja visoka stopnja, tudi če se ne uporabljajo pri polni nazivni moči, kar je velika prednost pred bencinskimi motorji.

Modularna narava zasnove gorivnih celic pomeni, da je moč elektrarne na gorivne celice povečati s preprostim dodajanjem še nekaj stopenj. To zagotavlja, da je faktor premajhne izkoriščenosti zmogljivosti čim bolj zmanjšan, kar omogoča boljše ujemanje ponudbe in povpraševanja. Ker je učinkovitost sklada gorivnih celic določena z zmogljivostjo posameznih celic, majhne elektrarne na gorivne celice delujejo enako učinkovito kot velike. Poleg tega se lahko odpadna toplota iz stacionarnih sistemov gorivnih celic uporablja za ogrevanje vode in prostorov, kar dodatno poveča energijsko učinkovitost.

Pri uporabi gorivnih celic praktično ni škodljivih emisij. Ko motor deluje na čisti vodik, se kot stranski produkt tvorita samo toplota in čista vodna para. Tako na vesoljskih plovilih astronavti pijejo vodo, ki nastane kot posledica delovanja gorivnih celic na krovu. Sestava emisij je odvisna od narave vira vodika. Uporaba metanola povzroči ničelne emisije dušikovih oksidov in ogljikovega monoksida ter le majhne emisije ogljikovodikov. Emisije se povečujejo, ko preidete z vodika na metanol na bencin, čeprav bodo tudi pri bencinu emisije ostale precej nizke. Vsekakor bi zamenjava današnjih tradicionalnih motorjev z notranjim zgorevanjem z gorivnimi celicami povzročila splošno zmanjšanje emisij CO2 in NOx.

Uporaba gorivnih celic zagotavlja fleksibilnost energetske infrastrukture in ustvarja dodatne možnosti za decentralizirano proizvodnjo električne energije. Raznolikost decentraliziranih virov energije omogoča zmanjšanje prenosnih izgub in razvoj trgov prodaje energije (kar je še posebej pomembno za oddaljena in podeželska območja, kjer ni dostopa do daljnovodov). S pomočjo gorivnih celic si lahko posamezni stanovalci ali soseske zagotovijo večino električne energije in s tem bistveno povečajo učinkovitost njene rabe.

Gorivne celice nudijo visoko kakovostno energijo in večjo zanesljivost. So trpežni, nimajo gibljivih delov in proizvajajo konstantno količino moči.

Vendar pa je treba tehnologijo gorivnih celic dodatno izboljšati, da bi izboljšali učinkovitost, zmanjšali stroške in tako naredili gorivne celice konkurenčne drugim energetskim tehnologijam. Treba je opozoriti, da je treba pri upoštevanju stroškovnih značilnosti energetskih tehnologij primerjati na podlagi vseh komponent tehnoloških značilnosti, vključno s kapitalskimi obratovalnimi stroški, emisijami onesnaževal, kakovostjo energije, vzdržljivostjo, razgradnjo in prilagodljivostjo.

Čeprav je vodikov plin najboljše gorivo, zanj še ne obstaja infrastruktura oziroma prometna baza. Kratkoročno bi lahko obstoječe sisteme oskrbe s fosilnimi gorivi (bencinske črpalke itd.) uporabili za oskrbo elektrarn z viri vodika v obliki bencina, metanola ali zemeljskega plina. To bi odpravilo potrebo po namenskih bencinskih črpalkah za vodik, vendar bi zahtevalo, da je vsako vozilo opremljeno s pretvornikom fosilnega goriva v vodik ("reformator"). Pomanjkljivost tega pristopa je, da uporablja fosilna goriva in tako povzroči emisije ogljikovega dioksida. Metanol, ki je trenutno vodilni kandidat, ustvarja manj emisij kot bencin, vendar bi zahteval večji rezervoar v avtomobilu, ker zavzame dvakrat več prostora za enako energijsko vsebnost.

Za razliko od sistemov za oskrbo s fosilnimi gorivi bi lahko sončni in vetrni sistemi (z uporabo električne energije za ustvarjanje vodika in kisika iz vode) in sistemi za neposredno fotokonverzijo (z uporabo polprevodniških materialov ali encimov za proizvodnjo vodika) dobavljali vodik brez koraka reformiranja, kar bi na ta način povzročilo emisije škodljivih snovi, ki jih opazimo pri uporabi metanola ali bencinskih gorivnih celic, bi se lahko izognili. Vodik bi lahko po potrebi shranili in pretvorili v električno energijo v gorivni celici. V prihodnje bo povezovanje gorivnih celic s temi vrstami obnovljivih virov energije verjetno učinkovita strategija za zagotavljanje produktivnega, okolju prijaznega in vsestranskega vira energije.

Priporočila IEER so lokalna in zvezne oblasti, kot tudi vlade držav, so del svojih proračunov za javna naročila namenile za prevoz vozil na gorivne celice, kot tudi za stacionarni sistemi na gorivne celice za zagotavljanje toplote in električne energije nekaterim pomembnim ali novim zgradbam. To bo prispevalo k razvoju vitalne tehnologije in zmanjšanju izpustov toplogrednih plinov.