Guide: Hur man öppnar Ancient Arsenal och var man letar efter bränsleceller - Horizon: Zero Dawn. Bränslecell som alternativ till "alternativ" energi

Den senaste tiden har ämnet bränsleceller varit på allas läppar. Och detta är inte förvånande, med tillkomsten av denna teknik i elektronikens värld har den hittat en ny födelse. Världsledare inom området för mikroelektronik tävlar om att presentera prototyper av sina framtida produkter, som kommer att integrera deras egna minikraftverk. Detta bör å ena sidan försvaga mobila enheters bindning till "uttaget", och å andra sidan förlänga deras batteritid.

Dessutom arbetar några av dem på basis av etanol, så utvecklingen av dessa teknologier är till direkt fördel för producenterna av alkoholhaltiga drycker - om ett dussin år står köer av "IT-män" bakom nästa "dos" för deras laptop kommer att ställa upp vid vindestilleriet.

Vi kan inte hålla oss borta från "febern" av bränsleceller som har gripit högteknologiska industrin, och vi kommer att försöka ta reda på vilken sorts best den här tekniken är, vad den äts med och när vi kan förvänta oss att den kommer till "catering". I den här artikeln kommer vi att titta på bränslecellernas väg från upptäckten av denna teknik till idag. Vi kommer också att försöka bedöma utsikterna för deras implementering och utveckling i framtiden.

Hur det var

Principen för en bränslecell beskrevs först 1838 av Christian Friedrich Schonbein, och ett år senare publicerade Philosophical Journal hans artikel om detta ämne. Det var dock bara teoretiska studier. Den första fungerande bränslecellen såg ljuset 1843 i laboratoriet hos en vetenskapsman av walesiskt ursprung, Sir William Robert Grove. När uppfinnaren skapade den använde uppfinnaren material som liknar de som används i moderna fosforsyrabatterier. Därefter förbättrades Sir Groves bränslecell av W. Thomas Grub. 1955, denna kemist, som arbetade för legendariskt företag General Electric använde ett jonbytarmembran av sulfonerat polystyren som elektrolyt i en bränslecell. Bara tre år senare föreslog hans kollega Leonard Niedrach tekniken för att lägga platina på membranet, som fungerade som en katalysator i processen för väteoxidation och syreupptagning.

"Fader" till bränsleceller Christian Schönbein

Dessa principer utgjorde grunden för en ny generation bränsleceller, kallade "Grubb-Nidrach"-element efter deras skapare. General Electric fortsatte att utvecklas i denna riktning, där den första kommersiella bränslecellen skapades med hjälp av NASA och flygjätten McDonnell Aircraft. Den nya tekniken uppmärksammades utomlands. Och redan 1959 introducerade britten Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) en stationär bränslecell med en effekt på 5 kW. Hans patenterade design licensierades sedan av amerikanerna och användes i rymdskepp NASA inom kraftsystem och dricksvattenförsörjning. Samma år byggde amerikanen Harry Ihrig den första bränslecellstraktorn (total effekt 15 kW). Kaliumhydroxid användes som elektrolyt i batterierna, och komprimerat väte och syre användes som reagens.

För första gången sattes produktionen av stationära bränsleceller för kommersiella ändamål i drift av UTC Power, som erbjöd reservkraftsystem för sjukhus, universitet och affärscentra. Detta företag, som är världsledande inom detta område, producerar fortfarande liknande lösningar med effekt upp till 200 kW. Det är också huvudleverantören av bränsleceller till NASA. Dess produkter användes i stor utsträckning under Apollos rymdprogram och är fortfarande efterfrågade som en del av rymdfärjans program. UTC Power erbjuder också "konsumentkonsumtion" bränsleceller för ett brett utbud av fordonstillämpningar. Hon var den första som skapade en bränslecell som gör det möjligt att ta emot ström vid negativa temperaturer genom att använda ett protonutbytesmembran.

Hur det fungerar

Forskarna experimenterade med olika ämnen som reagens. De grundläggande principerna för drift av bränsleceller, trots väsentligt olika prestandaegenskaper, förblir dock oförändrade. Varje bränslecell är en elektrokemisk energiomvandlingsanordning. Den genererar elektricitet från en viss mängd bränsle (på anodsidan) och en oxidator (på katodsidan). Reaktionen fortskrider i närvaro av en elektrolyt (ett ämne som innehåller fria joner och som beter sig som ett elektriskt ledande medium). I princip finns det i varje sådan anordning vissa reagenser som kommer in i den och deras reaktionsprodukter, som avlägsnas efter att den elektrokemiska reaktionen har utförts. Elektrolyten i detta fall fungerar endast som ett medium för interaktionen mellan reaktanterna och förändras inte i bränslecellen. Baserat på ett sådant schema bör en idealisk bränslecell fungera så länge det finns tillgång till ämnen som är nödvändiga för reaktionen.

Bränsleceller ska inte förväxlas med konventionella batterier här. I det första fallet går det åt lite "bränsle" för att producera el, som senare behöver fyllas på. När det gäller galvaniska celler lagras elektriciteten i en sluten krets. kemiska systemet. När det gäller batterier, kan applicering av ström göra att den omvända elektrokemiska reaktionen inträffar och återställer reagenserna till sitt ursprungliga tillstånd (dvs ladda det). Olika kombinationer av bränsle och oxidationsmedel är möjliga. Till exempel använder en vätebränslecell väte och syre (ett oxidationsmedel) som reaktanter. Ofta används bikarbonater och alkoholer som bränsle, och luft, klor och klordioxid fungerar som oxidanter.

Katalysreaktionen som äger rum i bränslecellen slår ut elektroner och protoner från bränslet, och de rörliga elektronerna bildas elektricitet. Bränsleceller använder vanligtvis platina eller dess legeringar som en katalysator för att påskynda reaktionen. En annan katalytisk process returnerar elektroner genom att kombinera dem med protoner och ett oxidationsmedel, vilket resulterar i bildandet av reaktionsprodukter (emissioner). Dessa utsläpp är i regel enkla ämnen: vatten och koldioxid.

I en konventionell protonbytesmembranbränslecell (PEMFC) separerar ett polymert protonledande membran anod- och katodsidorna. Från katodsidan diffunderar väte till anodkatalysatorn, där elektroner och protoner sedan frigörs från den. Protonerna passerar sedan genom membranet till katoden, och elektronerna, som inte kan följa protonerna (membranet är elektriskt isolerat), leds genom den externa belastningskretsen (strömförsörjningssystemet). På den katodiska katalysatorsidan reagerar syre med protoner som har passerat genom membranet och elektroner som kommer in genom den externa belastningskretsen. Som ett resultat av denna reaktion erhålls vatten (i form av en ånga eller vätska). Till exempel reaktionsprodukter i bränsleceller som använder kolvätebränslen (metanol, dieselbränsle) är vatten och koldioxid.

Bränsleceller av nästan alla typer lider av elektriska förluster, orsakade både av det naturliga motståndet hos kontakterna och elementen i bränslecellen och av elektrisk överspänning (ytterligare energi som krävs för att utföra den initiala reaktionen). I vissa fall är det inte möjligt att helt undvika dessa förluster, och ibland "spelet är inte värt ljuset", men oftast kan de reduceras till ett acceptabelt minimum. En lösning på detta problem är användningen av uppsättningar av dessa enheter, där bränsleceller, beroende på kraven för strömförsörjningssystemet, kan anslutas parallellt (högre ström) eller i serie (högre spänning).

Typer av bränsleceller

Det finns väldigt många typer av bränsleceller, men vi ska försöka att kort uppehålla oss vid de vanligaste av dem.

Alkaliska bränsleceller (AFC)

Alkaliska eller alkaliska bränsleceller, även kallade Bacon-celler efter sin brittiska "far", är en av de mest välutvecklade bränslecellsteknologierna. Det var dessa enheter som hjälpte människan att sätta sin fot på månen. I allmänhet har NASA använt bränsleceller av denna typ sedan mitten av 1960-talet. AFC förbrukar väte och rent syre och producerar dricker vatten, värme och el. Till stor del på grund av det faktum att denna teknik är välutvecklad, har den en av de högsta effektivitetsgraderna bland liknande system (cirka 70 % potential).

Men denna teknik har också sina nackdelar. På grund av specifikationerna för att använda ett flytande alkaliskt ämne som en elektrolyt som inte blockerar koldioxid, är det möjligt för kaliumhydroxid (ett av alternativen för den använda elektrolyten) att reagera med denna komponent i vanlig luft. Resultatet kan bli en giftig förening av kaliumkarbonat. För att undvika detta är det nödvändigt att använda antingen rent syre, eller att rena luften från koldioxid. Naturligtvis påverkar detta kostnaden för sådana enheter. Men trots detta är AFC de billigaste bränslecellerna att tillverka som finns idag.

Direkta borhydridbränsleceller (DBFC)

Denna subtyp av alkaliska bränsleceller använder natriumborhydrid som bränsle. Men till skillnad från konventionella väte-AFC har denna teknik en betydande fördel - ingen risk för att producera giftiga föreningar efter kontakt med koldioxid. Dess reaktionsprodukt är dock borax, som används flitigt i tvättmedel och tvål. Borax är relativt giftfritt.

DBFC kan göras ännu billigare än traditionella bränsleceller eftersom de inte kräver dyra platinakatalysatorer. Dessutom har de en högre energitäthet. Det uppskattas att produktionen av ett kilogram natriumborhydrid kostar 50 dollar, men om massproduktion organiseras och borax bearbetas kan denna stapel minskas med 50 gånger.

Metallhydridbränsleceller (MHFC)

Denna underklass av alkaliska bränsleceller studeras för närvarande aktivt. En egenskap hos dessa enheter är förmågan att kemiskt lagra väte inuti bränslecellen. Den direkta borhydridbränslecellen har samma förmåga, men till skillnad från den är MHFC fylld med rent väte.

Bland de utmärkande egenskaperna hos dessa bränsleceller är följande:

• förmågan att ladda från elektrisk energi;
• arbeta vid låga temperaturer - upp till -20°C;
• lång hållbarhetstid;
• snabb "kall" start;
• förmågan att arbeta under en tid utan en extern vätekälla (under perioden för bränslebyte).

Trots att många företag arbetar med att skapa massproducerade MHFC:er är effektiviteten hos prototyper inte tillräckligt hög jämfört med konkurrerande teknologier. En av de bästa strömtätheterna för dessa bränsleceller är 250 milliampere per kvadratcentimeter, med konventionella PEMFC-bränsleceller som levererar en strömtäthet på 1 ampere per kvadratcentimeter.

Elektrogalvaniska bränsleceller (EGFC)

Den kemiska reaktionen i EGFC sker med deltagande av kaliumhydroxid och syre. Detta skapar en elektrisk ström mellan blyanoden och den guldpläterade katoden. Spänningen från en elektrogalvanisk bränslecell är direkt proportionell mot mängden syre. Denna funktion har gjort det möjligt för EGFC att användas i stor utsträckning som en syretestanordning i dykutrustning och medicinsk utrustning. Men just på grund av detta beroende har bränsleceller baserade på kaliumhydroxid en mycket begränsad tidsperiod. effektivt arbete(så länge syrekoncentrationen är hög).

De första certifierade EGFC-syretestarna blev allmänt tillgängliga 2005, men blev inte så populära då. Släppt två år senare, en betydligt modifierad modell var mycket mer framgångsrik och fick till och med ett pris för "innovation" på en specialiserad dykarmässa i Florida. För närvarande använder organisationer som NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) och DDRC (Diving Diseases Research Center) dem.

Myrsyra direkta bränsleceller (DFAFC)

Dessa bränsleceller är en undertyp av PEMFC-anordningar för direktmyrsyra. På grund av deras specifika egenskaper har dessa bränsleceller en stor chans att i framtiden bli det viktigaste sättet att driva sådan bärbar elektronik som bärbara datorer, mobiltelefoner, etc.

Liksom metanol matas myrsyra direkt in i bränslecellen utan ett speciellt reningssteg. Det är också mycket säkrare att lagra detta ämne än till exempel väte, och dessutom är det inte nödvändigt att tillhandahålla några specifika lagringsförhållanden: myrsyra är en vätska vid normal temperatur. Dessutom har denna teknologi två obestridliga fördelar jämfört med direkta metanolbränsleceller. För det första, till skillnad från metanol, tränger myrsyra inte genom membranet. Därför bör effektiviteten för DFAFC, per definition, vara högre. För det andra, i händelse av trycksänkning, är myrsyra inte så farligt (metanol kan orsaka blindhet, och med en stark dosering, död).

Intressant nog, tills nyligen, såg många forskare inte att denna teknik hade en praktisk framtid. Anledningen som fick forskare att sätta stopp för myrsyra under många år var en hög elektrokemisk överspänning, som ledde till betydande elektriska förluster. Men resultaten av de senaste experimenten har visat att orsaken till denna ineffektivitet var användningen av platina som katalysator, som traditionellt har använts i stor utsträckning för detta ändamål i bränsleceller. Efter att forskare från University of Illinois utfört ett antal experiment med andra material, visade det sig att när man använder palladium som katalysator, är produktiviteten för DFAFC högre än motsvarande direkta metanolbränsleceller. För närvarande ägs rättigheterna till denna teknologi av det amerikanska företaget Tekion, som erbjuder sin Formira Power Pack-produktlinje för mikroelektroniska enheter. Detta system är en "duplex" bestående av ett ackumulatorbatteri och själva bränslecellen. När förråden av reagenser i patronen som laddar batteriet tar slut, byter användaren helt enkelt ut den mot en ny. Därmed blir den helt oberoende av "sockeln". Enligt tillverkarens löften kommer tiden mellan laddningarna att fördubblas, trots att tekniken endast kommer att kosta 10-15% mer än konventionella batterier. Det enda allvarliga hindret för denna teknik kan vara att den stöds av ett medelklassföretag och att den helt enkelt kan "fyllas upp" av konkurrenter i större skala som presenterar sin teknologi, som till och med kan vara sämre än DFAFC på flera sätt.

Direkta metanolbränsleceller (DMFC)

Dessa bränsleceller är en undergrupp av protonbytesmembrananordningar. De använder metanol som laddas in i bränslecellen utan ytterligare rening. Men metylalkohol är mycket lättare att lagra och är inte explosivt (även om det är brandfarligt och kan orsaka blindhet). Samtidigt är metanolens energikapacitet betydligt högre än för komprimerat väte.

Men på grund av det faktum att metanol kan tränga igenom membranet är effektiviteten hos DMFC med stora volymer bränsle låg. Även om de inte är lämpliga för transporter och stora installationer av denna anledning, är dessa enheter utmärkta som batteriersättning för mobila enheter.

Bearbetade metanolbränsleceller (RMFC)

Bearbetade metanolbränsleceller skiljer sig från DMFC endast genom att de omvandlar metanol till väte och koldioxid innan de genererar el. Detta händer i en speciell enhet som kallas en bränsleprocessor. Efter detta preliminära steg (reaktionen utförs vid en temperatur över 250°C) genomgår vätet en oxidationsreaktion, vilket resulterar i bildandet av vatten och elektricitet.

Användningen av metanol i RMFC beror på att det är en naturlig bärare av väte, och vid en tillräckligt låg temperatur (jämfört med andra ämnen) kan den brytas ned till väte och koldioxid. Därför är denna teknik mer avancerad än DMFC. Bearbetade metanolbränsleceller är effektivare, mer kompakta och fungerar vid minusgrader.

Direkta etanolbränsleceller (DEFC)

En annan representant för klassen av bränsleceller med ett protonutbytesgitter. Som namnet antyder kommer etanol in i bränslecellen förbi stadierna av ytterligare rening eller nedbrytning till enklare ämnen. Det första pluset med dessa enheter är användningen av etylalkohol istället för giftig metanol. Det gör att du inte behöver investera mycket pengar i utvecklingen av detta bränsle.

Energitätheten för alkohol är cirka 30 % högre än för metanol. Dessutom kan den erhållas i stora mängder från biomassa. För att minska kostnaderna för etanolbränsleceller pågår ett aktivt sökande efter ett alternativt katalysatormaterial. Platina, som traditionellt används i bränsleceller för dessa ändamål, är för dyrt och är ett betydande hinder för massantagandet av dessa teknologier. Lösningen på detta problem kan vara katalysatorer gjorda av en blandning av järn, koppar och nickel, som visar imponerande resultat i experimentella system.

Zinkluftbränsleceller (ZAFC)

ZAFC använder oxidation av zink med syre från luften för att generera elektricitet. Dessa bränsleceller är billiga att tillverka och ger en ganska hög energitäthet. För närvarande används de i hörapparater och experimentella elbilar.

På anodsidan finns en blandning av zinkpartiklar med en elektrolyt och på katodsidan vatten och syre från luften, som reagerar med varandra och bildar hydroxyl (dess molekyl är en syreatom och en väteatom, mellan vilka det finns en kovalent bindning). Som ett resultat av reaktionen mellan hydroxylen och zinkblandningen frigörs elektroner som går till katoden. Max spänning, som ges ut av sådana bränsleceller, är 1,65 V, men som regel reduceras det artificiellt till 1,4–1,35 V, vilket begränsar lufttillgången till systemet. Slutprodukterna av denna elektrokemiska reaktion är zinkoxid och vatten.

Det är möjligt att använda denna teknik både i batterier (utan laddning) och i bränsleceller. I det senare fallet rengörs kammaren på anodsidan och fylls på med zinkpasta. Generellt sett har ZAFC-tekniken visat sig vara enkla och pålitliga batterier. Deras obestridliga fördel är förmågan att kontrollera reaktionen endast genom att justera lufttillförseln till bränslecellen. Många forskare överväger zink-luftbränsleceller som den framtida huvudsakliga kraftkällan för elfordon.

Mikrobiella bränsleceller (MFC)

Idén att använda bakterier till förmån för mänskligheten är inte ny, även om den först nyligen har kommit till förverkligandet av dessa idéer. För närvarande är frågan om kommersiell användning av bioteknik för produktion av olika produkter (till exempel produktion av väte från biomassa), neutralisering skadliga ämnen och elproduktion. Mikrobiella bränsleceller, även kallade biologiska bränsleceller, är ett biologiskt elektrokemiskt system som genererar elektricitet genom användning av bakterier. Denna teknologi är baserad på katabolism (nedbrytning av en komplex molekyl till en enklare med frigörande av energi) av ämnen som glukos, acetat (salt av ättiksyra), butyrat (salt av smörsyra) eller avloppsvatten. På grund av deras oxidation frigörs elektroner, som överförs till anoden, varefter den genererade elektriska strömmen flyter genom ledaren till katoden.

I sådana bränsleceller används vanligtvis mediatorer för att förbättra elektronernas permeabilitet. Problemet är att ämnen som spelar rollen som mediatorer är dyra och giftiga. Vid användning av elektrokemiskt aktiva bakterier finns det dock inget behov av mediatorer. Sådana "sändarfria" mikrobiella bränsleceller började skapas ganska nyligen och därför är inte alla deras egenskaper väl studerade.

Trots de hinder som MFC ännu inte har övervunnit har denna teknik en enorm potential. För det första är "bränsle" inte svårt att hitta. Dessutom är frågan om avloppsvattenrening och bortskaffande av många avfall idag mycket akut. Tillämpningen av denna teknik skulle kunna lösa båda dessa problem. För det andra kan dess effektivitet teoretiskt vara mycket hög. Huvudproblemet för ingenjörer är mikrobiella bränsleceller, och faktiskt den viktigaste delen av denna enhet, mikrober. Och medan mikrobiologer, som får många anslag för forskning, jublar, gnuggar även science fiction-författare sig i händerna och anar framgången för böcker om konsekvenserna av "publiceringen" av fel mikroorganismer. Naturligtvis finns det en risk att få fram något som skulle "smälta" inte bara onödigt avfall, utan också något värdefullt. Så i princip, som med all ny bioteknik, är folk försiktiga med tanken på att bära en bakterieangripen låda i fickan.

Ansökan

Stationära inhemska och industriella kraftverk

Bränsleceller används i stor utsträckning som energikällor i olika autonoma system, såsom rymdfarkoster, avlägsna väderstationer, militära installationer, etc. Den största fördelen med ett sådant strömförsörjningssystem är dess extremt höga tillförlitlighet jämfört med andra tekniker. På grund av frånvaron av rörliga delar i bränsleceller och eventuella mekanismer kan tillförlitligheten hos strömförsörjningssystem nå 99,99%. Vid användning av väte som reagens kan dessutom en mycket liten vikt uppnås, vilket är ett av de viktigaste kriterierna när det gäller rymdutrustning.

På senare tid har kraftvärmeinstallationer, som ofta används i bostadshus och kontor, blivit mer utbredda. Det speciella med dessa system är att de ständigt genererar elektricitet, som, om den inte förbrukas omedelbart, används för att värma vatten och luft. Trots att den elektriska verkningsgraden för sådana installationer endast är 15-20%, kompenseras denna nackdel av att oanvänd el används för värmeproduktion. Generellt sett är energieffektiviteten för sådana kombinerade system cirka 80 %. En av de bästa reagensen för sådana bränsleceller är fosforsyra. Dessa enheter ger en energieffektivitet på 90 % (35-50 % el och resten värmeenergi).

Transport

Energisystem baserade på bränsleceller används också i stor utsträckning inom transporter. Tyskarna var förresten bland de första som installerade bränsleceller på fordon. Så världens första kommersiella båt utrustad med ett sådant setup debuterade för åtta år sedan. Detta lilla fartyg, kallat "Hydra" och utformat för att ta upp till 22 passagerare, sjösattes nära Tysklands tidigare huvudstad i juni 2000. Väte (alkalisk bränslecell) fungerar som ett energibärande reagens. Tack vare användningen av alkaliska (alkaliska) bränsleceller kan installationen generera ström vid temperaturer ner till -10°C och är inte "rädd" för saltvatten. "Hydra"-båten, som drivs av en 5 kW elmotor, klarar hastigheter upp till 6 knop (ca 12 km/h).

Båt "Hydra"

Bränsleceller (särskilt vätgasdrivna) har blivit mycket mer utbredda inom landtransporter. Generellt sett har väte använts som bränsle för bilmotorer under ganska lång tid, och i princip kan en konventionell förbränningsmotor enkelt konverteras till att använda detta alternativa bränsle. Konventionell förbränning av väte är dock mindre effektiv än att generera elektricitet genom kemisk reaktion mellan väte och syre. Och helst kommer väte, om det används i bränsleceller, vara helt säkert för naturen eller, som de säger, "vänligt mot miljön", eftersom ingen koldioxid eller andra ämnen frigörs under den kemiska reaktionen som berör "växthuset". effekt".

Det är sant att här, som man kan förvänta sig, finns det flera stora "men". Faktum är att många tekniker för att producera väte från icke-förnybara resurser (naturgas, kol, oljeprodukter) inte är så miljövänliga, eftersom en stor mängd koldioxid frigörs i deras process. Teoretiskt, om förnybara resurser används för att få det, så kommer det inte att finnas några skadliga utsläpp alls. Men i det här fallet ökar kostnaden avsevärt. Enligt många experter är potentialen för väte som ersättning för bensin eller naturgas av dessa skäl mycket begränsad. Det finns redan billigare alternativ, och troligen kommer bränsleceller på det första elementet i det periodiska systemet inte att kunna bli ett massfenomen i fordon.

Biltillverkare experimenterar ganska aktivt med väte som energikälla. Och den främsta anledningen till detta är EU:s ganska hårda ställning i förhållande till skadliga utsläpp till atmosfären. Påskyndade av allt strängare restriktioner i Europa har Daimler AG, Fiat och Ford Motor Company avslöjat sin vision för framtiden för bränsleceller i bilindustrin, och utrustat sina basmodeller med liknande drivlinor. En annan europeisk biljätte, Volkswagen, förbereder för närvarande sitt bränslecellsfordon. Japanska och sydkoreanska företag ligger inte efter dem. Det är dock inte alla som satsar på denna teknik. Många föredrar att modifiera förbränningsmotorer eller kombinera dem med batteridrivna elmotorer. Toyota, Mazda och BMW följde denna väg. Vad gäller amerikanska företag så presenterade General Motors förutom Ford med sin Focus-modell även flera bränslecellsbilar. Alla dessa åtaganden uppmuntras aktivt av många stater. Till exempel, i USA finns det en lag enligt vilken en ny hybridbil som kommer in på marknaden är befriad från skatter, vilket kan vara ganska anständigt, eftersom sådana bilar i regel är dyrare än sina motsvarigheter med traditionell förbränning motorer. Således blir hybrider som köp ännu mer attraktiva. Men för närvarande gäller denna lag bara för modeller som kommer in på marknaden tills de når en försäljningsnivå på 60 000 bilar, varefter förmånen automatiskt upphävs.

Elektronik

För inte så länge sedan började bränsleceller få ökad användning i bärbara datorer, mobiltelefoner och andra mobila elektroniska enheter. Anledningen till detta var det snabbt ökande frossandet av enheter designade för lång batteritid. Som ett resultat av användningen av stora pekskärmar i telefoner, kraftfulla ljudfunktioner och införandet av stöd för Wi-Fi, Bluetooth och andra högfrekventa trådlösa kommunikationsprotokoll har också kraven på batterikapacitet förändrats. Och även om batterierna har kommit långt sedan de första mobiltelefonernas dagar, när det gäller kapacitet och kompaktitet (annars skulle fans idag inte släppas in på arenor med detta vapen med en kommunikationsfunktion), hänger de fortfarande inte med med miniatyrisering av elektroniska kretsar, och inte heller med önskan att tillverkarna ska bygga in alla i sina produkter flera funktioner. En annan betydande nackdel med nuvarande batterier är deras långa laddningstid. Allt leder till det faktum att ju fler funktioner i en telefon eller fick-multimediaspelare utformade för att öka ägarens autonomi (trådlöst internet, navigationssystem, etc.), desto mer beroende av "uttaget" blir denna enhet.

Det finns inget att säga om bärbara datorer som är mycket mindre än de begränsade i maximala storlekar. En nisch av ultraeffektiva bärbara datorer har bildats under lång tid, som inte är avsedda för autonom drift alls, förutom en sådan överföring från ett kontor till ett annat. Och även de mest kostnadseffektiva medlemmarna i den bärbara världen kämpar för att leverera en hel dags batteritid. Därför är frågan om att hitta ett alternativ till traditionella batterier, som inte skulle vara dyrare, men också mycket effektivare, mycket akut. Och de ledande företrädarna för branschen har nyligen löst detta problem. För inte så länge sedan introducerades kommersiella metanolbränsleceller, vars massleveranser kan påbörjas redan nästa år.

Forskarna valde metanol framför väte av någon anledning. Det är mycket lättare att lagra metanol eftersom det inte kräver högt tryck eller speciellt temperaturregim. Metylalkohol är en vätska vid -97,0°C till 64,7°C. Vart i specifik energi som ingår i den N:te volymen metanol är en storleksordning större än i samma volym väte under högt tryck. Den direkta metanolbränslecellsteknologin, som används i stor utsträckning i mobila elektroniska enheter, innebär användning av metanol efter att helt enkelt fyllt bränslecellsbehållaren, vilket går förbi den katalytiska omvandlingsproceduren (därav namnet "direkt metanol"). Detta är också en stor fördel med denna teknik.

Men som man kunde förvänta sig hade alla dessa plusser sina nackdelar, vilket avsevärt begränsade tillämpningsområdet för dess tillämpning. Med tanke på det faktum att denna teknik ännu inte har utvecklats fullt ut, förblir problemet med den låga effektiviteten hos sådana bränsleceller orsakade av metanol-"läckage" genom membranmaterialet olöst. Dessutom har de inte imponerande dynamiska egenskaper. Det är inte lätt att avgöra vad man ska göra med koldioxiden som produceras vid anoden. Moderna DMFC-enheter kan inte generera hög energi, men de har en hög energikapacitet för en liten volym materia. Detta innebär att även om mycket energi ännu inte finns tillgänglig, kan direkta metanolbränsleceller generera den. länge sedan. Detta gör att de inte kan hitta direkt användning i fordon på grund av deras låga effekt, men gör dem till en nästan idealisk lösning för mobila enheter där batteritiden är kritisk.

Senaste trenderna

Även om bränsleceller för fordon har tillverkats under lång tid, har dessa lösningar än så länge inte blivit utbredda. Det finns många anledningar till detta. Och de viktigaste är tillverkarnas ekonomiska olämplighet och ovilja att sätta igång produktionen av prisvärt bränsle. Försök att tvinga fram den naturliga övergångsprocessen till förnybara energikällor, som man kunde förvänta sig, ledde inte till något bra. Anledningen till den kraftiga prishöjningen på jordbruksprodukter är förstås snarare dold inte i det faktum att de har börjat omvandlas massivt till biobränslen, utan i det faktum att många länder i Afrika och Asien inte kan producera tillräckligt med produkter även för att möta den inhemska efterfrågan på produkter.

Uppenbarligen kommer avvisningen av användningen av biobränslen inte att leda till en betydande förbättring av situationen på världsmarknaden för livsmedel, utan tvärtom kan det drabba europeiska och amerikanska bönder, som för första gången på många år har fått möjligheten att tjäna bra pengar. Men man kan inte skriva av sig den etiska aspekten av denna fråga, det är fult att fylla "bröd" i tankar när miljoner människor svälter. Därför i synnerhet europeiska politiker det kommer nu att finnas en svalare attityd till bioteknik, vilket redan bekräftas av översynen av strategin för övergången till förnybara energikällor.

I denna situation bör mikroelektronik bli det mest lovande användningsområdet för bränsleceller. Det är här bränsleceller har störst chans att få fäste. För det första är människor som köper mobiltelefoner mer villiga att experimentera än till exempel bilköpare. Och för det andra är de redo att spendera pengar och är som regel inte motvilliga till att "rädda världen". Den överväldigande framgången för den röda "Bono"-versionen av iPod Nano kan tjäna som en bekräftelse på detta, en del av pengarna från försäljningen gick till Röda Korset.

"Bono"-version av Apple iPod Nano

Bland dem som har riktat sin uppmärksamhet mot bränsleceller för bärbar elektronik, som företag som tidigare specialiserat sig på att skapa bränsleceller och nu helt enkelt upptäckt ny sfär deras applikationer och ledande tillverkare av mikroelektronik. Till exempel meddelade nyligen MTI Micro, som har ändrat sin verksamhet för att producera metanolbränsleceller för mobila elektroniska enheter, att de skulle påbörja massproduktion 2009. Hon introducerade också världens första GPS-enhet för metanolbränslecell. Enligt företrädare för detta företag kommer dess produkter inom en snar framtid att helt ersätta traditionella litiumjonbatterier. Det är sant att de till en början inte kommer att vara billiga, men det här problemet följer med all ny teknik.

För ett företag som Sony, som nyligen visade upp sin DMFC-variant av en mediadriven enhet, är dessa tekniker nya, men de menar allvar med att inte gå vilse på en lovande ny marknad. Sharp gick i sin tur ännu längre och satte med sin bränslecellsprototyp nyligen ett världsrekord för den specifika energikapaciteten på 0,3 watt per kubikcentimeter metanol. Även regeringarna i många länder träffade företagen som tillverkar dessa bränsleceller. Så flygplatser i USA, Kanada, Storbritannien, Japan och Kina, trots toxiciteten och brandfarligheten hos metanol, avbröt de tidigare befintliga restriktionerna för dess transport i kabinen. Detta är givetvis endast tillåtet för certifierade bränsleceller med en maximal kapacitet på 200 ml. Ändå bekräftar detta återigen intresset för denna utveckling från inte bara entusiaster utan även staters sida.

Det är sant att tillverkare fortfarande försöker spela det säkert och erbjuder bränsleceller främst som ett reservkraftsystem. En sådan lösning är kombinationen av en bränslecell och ett batteri: medan det finns bränsle laddar den hela tiden batteriet, och när det tar slut byter användaren helt enkelt ut den tomma patronen med en ny behållare med metanol. En annan populär trend är skapandet av bränslecellsladdare. De kan användas på språng. Samtidigt kan de ladda batterier väldigt snabbt. Med andra ord, i framtiden kanske alla bär ett sådant "uttag" i fickan. Detta tillvägagångssätt kan vara särskilt relevant när det gäller mobiltelefoner. I sin tur kan bärbara datorer mycket väl inom överskådlig framtid få inbyggda bränsleceller, som, om inte helt ersätter laddning från "uttaget", så åtminstone blir ett seriöst alternativ till det.

Enligt prognosen från Tysklands största kemiföretag BASF, som nyligen tillkännagav byggandet av sitt bränslecellsutvecklingscenter i Japan, kommer marknaden för dessa enheter 2010 att vara 1 miljard dollar. Samtidigt förutspår dess analytiker tillväxten av bränslecellsmarknaden till 20 miljarder dollar år 2020. Förresten, i detta centrum planerar BASF att utveckla bränsleceller för bärbar elektronik (särskilt bärbara datorer) och stationära energisystem. Platsen för detta företag valdes inte av en slump - det tyska företaget ser lokala företag som huvudköparna av dessa tekniker.

Istället för en slutsats

Naturligtvis ska man inte förvänta sig av bränsleceller att de kommer att bli en ersättning för det befintliga kraftförsörjningssystemet. Åtminstone under överskådlig framtid. Detta är ett tveeggat svärd: bärbara kraftverk är förvisso mer effektiva på grund av frånvaron av förluster i samband med leverans av el till konsumenten, men det är också värt att överväga att de kan bli en allvarlig konkurrent till en centraliserad strömförsörjning system endast om ett centraliserat bränsleförsörjningssystem för dessa installationer skapas. Det vill säga att "socket" så småningom ska ersättas av ett visst rör som tillför de nödvändiga reagenserna till varje hus och varje skrymsle. Och detta är inte riktigt den frihet och oberoende från externa strömkällor som bränslecellstillverkarna talar om.

Dessa enheter har en obestridlig fördel i form av laddningshastighet - de bytte helt enkelt metanolpatronen (i sista utvägen, tog upp pokalen Jack Daniel "s) i kameran och hoppade igen uppför trappan på Louvren. Å andra sidan, om, säg, en vanlig telefon laddas på två timmar och kommer att behöva laddas varannan till var tredje dag, då är det osannolikt att ett alternativ i form av ett byte av en patron som säljs endast i specialiserade butiker, även en gång varannan vecka kommer att vara så efterfrågat av massanvändaren. Och, naturligtvis, tills dessa par hundra milliliter bränsle gömd i en säker hermetisk behållare nå slutkonsumenten, kommer dess pris att ha tid att stiga avsevärt. Det kommer att vara möjligt att slåss endast av produktionens omfattning, men kommer denna skala att vara efterfrågad på marknaden?Och tills den optimala typen av bränsle är valt, kommer det att vara mycket problematiskt att lösa detta problem.

Å andra sidan kan en kombination av traditionell plug-in-laddning, bränsleceller och andra alternativa energiförsörjningssystem (t.ex. solpaneler) vara lösningen på problemet med diversifiering av kraftkällor och byte till miljötyper. Men för en viss grupp av elektroniska produkter kan bränsleceller användas i stor utsträckning. Detta bekräftas av det faktum att Canon nyligen har patenterat sina egna bränsleceller för digitalkameror och tillkännagett en strategi för att införliva dessa teknologier i sina lösningar. När det gäller bärbara datorer, om bränsleceller når dem inom en snar framtid, då troligen bara som ett reservkraftsystem. Nu pratar vi till exempel främst om externa laddningsmoduler som dessutom är anslutna till en bärbar dator.

Men dessa teknologier har enorma framtidsutsikter för utveckling på lång sikt. Särskilt mot bakgrund av hotet om oljesvält, som kan inträffa under de närmaste decennierna. Under dessa förhållanden är det viktigare inte ens hur billig produktionen av bränsleceller blir, utan hur mycket produktionen av bränsle till dem blir oavsett petrokemisk industri och om den kommer att kunna täcka behovet av det.

Ingen kommer att bli förvånad över vare sig solpaneler eller vindkraftverk, som genererar el i alla delar av världen. Men uteffekten från dessa enheter är inte konstant och det är nödvändigt att installera reservkraftkällor eller ansluta till nätet för att ta emot el under den period då förnybara energianläggningar inte genererar el. Det finns dock anläggningar utvecklade på 1800-talet som använder "alternativa" bränslen för att generera elektricitet, det vill säga inte bränner gas eller oljeprodukter. Sådana installationer är bränsleceller.

SKAPELSENS HISTORIA

Bränsleceller (FC) eller bränsleceller upptäcktes så tidigt som 1838-1839 av William Grove (Grow, Grove) när han studerade elektrolys av vatten.

Referens: Elektrolys av vatten är processen för nedbrytning av vatten under inverkan av en elektrisk ström till väte- och syremolekyler.

När han kopplade bort batteriet från elektrolyscellen blev han förvånad över att finna att elektroderna började absorbera den frigjorda gasen och generera ström. Upptäckten av processen för elektrokemisk "kall" förbränning av väte har blivit en betydande händelse i energiindustrin. Senare skapade han Grove-ackumulatorn. Denna anordning hade en platinaelektrod nedsänkt i salpetersyra och en zinkelektrod i zinksulfat. Den genererade en ström på 12 ampere och en spänning på 8 volt. Grow själv kallade denna konstruktion "vått batteri". Han skapade sedan ett batteri med två platinaelektroder. Ena änden av varje elektrod var i svavelsyra, medan de andra ändarna var förseglade i behållare med väte och syre. Det var en stabil ström mellan elektroderna och mängden vatten inne i behållarna ökade. Grow kunde sönderdela och förbättra vattnet i den här enheten.

"Grow's Battery"

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

Termen "bränslecell" (engelska "bränslecell") förekom först 1889 av L. Mond och
Ch. Langer, som försökte skapa en anordning för att generera elektricitet från luft och kolgas.

HUR DET FUNGERAR?

Bränslecellen är en relativt enkel anordning. Den har två elektroder: en anod (negativ elektrod) och en katod (positiv elektrod). En kemisk reaktion sker på elektroderna. För att påskynda det är ytan på elektroderna belagd med en katalysator. Bränsleceller är utrustade med ytterligare ett element - ett membran. Omvandlingen av bränslets kemiska energi direkt till elektricitet sker på grund av membranets arbete. Den separerar de två kamrarna i elementet till vilka bränsle och oxidationsmedel tillförs. Membranet tillåter endast protoner, som erhålls som ett resultat av bränslesplittring, att passera från en kammare till en annan på en elektrod belagd med en katalysator (elektroner går sedan genom den externa kretsen). I den andra kammaren rekombinerar protoner med elektroner (och syreatomer) för att bilda vatten.

Arbetsprincipen för en vätebränslecell

På den kemiska nivån liknar processen att omvandla bränsleenergi till elektrisk energi den vanliga förbränningsprocessen (oxidation).

Vid normal förbränning i syre oxideras organiskt bränsle, och bränslets kemiska energi omvandlas till termisk energi. Låt oss se vad som händer när väte oxideras av syre i ett elektrolytmedium och i närvaro av elektroder.

Genom att tillföra väte till en elektrod i en alkalisk miljö, fortskrider en kemisk reaktion:

2H2 + 4OH - → 4H2O + 4e -

Som du kan se får vi elektroner som passerar genom den externa kretsen och går in i den motsatta elektroden, till vilken syre kommer in och där reaktionen äger rum:

4e- + O2 + 2H2O → 4OH -

Det kan ses att den resulterande reaktionen 2H 2 + O 2 → H 2 O är densamma som vid konventionell förbränning, men bränslecellen genererar el och en del värme.

TYPER AV BRÄNSLECELLER

FC klassificeras efter typen av elektrolyt som används för reaktionen:

Det bör noteras att kol, kolmonoxid, alkoholer, hydrazin och andra organiska ämnen också kan användas som bränsle i bränsleceller, och luft, väteperoxid, klor, brom, salpetersyra etc. kan användas som oxidationsmedel.

BRÄNSLECELL Effektivitet

En egenskap hos bränsleceller är ingen hård gräns för effektivitet som en värmemotor.

Hjälp: effektivitetCarnot cykel är högsta möjliga verkningsgrad bland alla värmemotorer med samma lägsta och högsta temperaturer.

Därför kan effektiviteten hos bränsleceller i teorin vara högre än 100 %. Många log och tänkte: "Evigrörelsemaskinen har uppfunnits." Nej, det är värt att gå tillbaka till skolans kemikurs. Bränslecellen bygger på omvandling av kemisk energi till elektrisk energi. Det är här mirakel sker. Vissa kemiska reaktioner i processen kan absorbera värme från omgivningen.

Referens: Endotermiska reaktioner är kemiska reaktioner som åtföljs av absorption av värme. För endotermiska reaktioner, förändringen i entalpi och inre energi har positiva värden (Δ H >0, Δ U >0), så innehåller reaktionsprodukterna mer energi än de ursprungliga komponenterna.

Ett exempel på en sådan reaktion är oxidationen av väte, som används i de flesta bränsleceller. Därför kan effektiviteten teoretiskt vara mer än 100%. Men idag värms bränsleceller upp under drift och kan inte ta upp värme från omgivningen.

Referens: Denna begränsning införs av termodynamikens andra lag. Processen att överföra värme från en "kall" kropp till en "het" är inte möjlig.

Dessutom finns det förluster förknippade med icke-jämviktsprocesser. Såsom: ohmska förluster på grund av elektrolytens och elektrodernas specifika konduktivitet, aktivering och koncentrationspolarisation, diffusionsförluster. Som ett resultat omvandlas en del av den energi som genereras i bränsleceller till värme. Därför är bränsleceller inte evighetsmaskiner och deras effektivitet är mindre än 100 %. Men deras effektivitet är högre än hos andra maskiner. I dag bränslecellseffektivitet når 80 %.

Referens: På fyrtiotalet designade och byggde den engelske ingenjören T. Bacon ett bränslecellsbatteri med en total effekt på 6 kW och en verkningsgrad på 80 %, som arbetade på rent väte och syre, men batteriets effekt-till-vikt-förhållande vände ut att vara för små - sådana celler var olämpliga för praktisk användning och för dyra (källa: http://www.powerinfo.ru/).

BRÄNSLECELLFRÅGOR

Nästan alla bränsleceller använder väte som bränsle, så den logiska frågan är: "Var kan jag få det?"

Det verkar som att en bränslecell upptäcktes som ett resultat av elektrolys, så du kan använda vätgas som frigörs till följd av elektrolys. Men låt oss ta en närmare titt på denna process.

Enligt Faradays lag: mängden av ett ämne som oxideras vid anoden eller reduceras vid katoden är proportionell mot mängden elektricitet som passerat genom elektrolyten. Det betyder att för att få mer väte måste du spendera mer el. Befintliga metoder för vattenelektrolys körs med effektivitet mindre än enhet. Sedan använder vi det resulterande vätet i bränsleceller, där effektiviteten också är mindre än enhet. Därför kommer vi att spendera mer energi än vi kan generera.

Naturligtvis kan även väte som härrör från naturgas användas. Denna metod för väteproduktion är fortfarande den billigaste och mest populära. För närvarande kommer cirka 50 % av det väte som produceras i världen från naturgas. Men det finns ett problem med lagring och transport av väte. Väte har en låg densitet ( en liter väte väger 0,0846 gram), för att transportera den över långa avstånd måste den därför komprimeras. Och detta är ytterligare energi- och kontantkostnader. Glöm inte heller säkerheten.

Men det finns också en lösning här - flytande kolvätebränsle kan användas som vätgaskälla. Till exempel etyl- eller metylalkohol. Det är sant att en speciell extra anordning krävs redan här - en bränsleomvandlare, vid hög temperatur (för metanol kommer det att vara någonstans runt 240 ° C) som omvandlar alkoholer till en blandning av gasformig H 2 och CO 2. Men i det här fallet är det redan svårare att tänka på portabilitet - sådana enheter är bra att använda som stationära eller bilgeneratorer, men för kompakt mobilutrustning behöver du något mindre skrymmande.

Katalysator

För att förstärka reaktionen i en bränslecell är anodytan vanligtvis en katalysator. Tills nyligen användes platina som katalysator. Därför var kostnaden för bränslecellen hög. För det andra är platina en relativt sällsynt metall. Enligt experter, vid industriell produktion av bränsleceller, kommer de utforskade reserverna av platina att ta slut om 15-20 år. Men forskare runt om i världen försöker ersätta platina med andra material. Förresten, några av dem uppnådde bra resultat. Så kinesiska forskare ersatte platina med kalciumoxid (källa: www.cheburek.net).

ANVÄNDA BRÄNSLECELLER

För första gången testades en bränslecell inom bilteknik 1959. Alice-Chambers-traktorn använde 1008 batterier för att fungera. Bränslet var en blandning av gaser, främst propan och syre.

Källa: http://www.planetseed.com/

Från mitten av 60-talet, på höjden av "rymdkapplöpningen", blev skaparna av rymdfarkoster intresserade av bränsleceller. Arbetet från tusentals forskare och ingenjörer gjorde det möjligt att nå en ny nivå, och 1965. Bränslecellerna testades i USA på rymdfarkosten Gemini 5 och senare på rymdfarkosten Apollo för flygningar till månen och under Shuttle-programmet. I Sovjetunionen utvecklades bränsleceller vid NPO Kvant, även för användning i rymden (källa: http://www.powerinfo.ru/).

Eftersom slutprodukten av väteförbränning i en bränslecell är vatten anses de vara de renaste när det gäller miljöpåverkan. Därför började bränsleceller vinna sin popularitet mot bakgrund av ett allmänt intresse för ekologi.

Redan i dagsläget har biltillverkare som Honda, Ford, Nissan och Mercedes-Benz skapat fordon som drivs av vätebränsleceller.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force drivs av vätgas

När man använder bilar på vätgas är problemet med vätgaslagring löst. Byggandet av vätgastankstationer kommer att göra det möjligt att tanka var som helst. Dessutom går det snabbare att fylla en bil med vätgas än att ladda en elbil på en bensinmack. Men när de genomförde sådana projekt stod de inför ett problem som det med elfordon. Människor är redo att "överföra" till en vätgasbil om det finns en infrastruktur för dem. Och byggandet av bensinstationer kommer att börja om det finns ett tillräckligt antal konsumenter. Därför kom vi återigen till dilemmat med ägg och kyckling.

Bränsleceller används ofta i mobiltelefoner och bärbara datorer. De dagar då telefonen laddades en gång i veckan är förbi. Nu laddar telefonen, nästan varje dag, och den bärbara datorn fungerar utan nätverk i 3-4 timmar. Därför beslutade mobiltekniktillverkare att syntetisera en bränslecell med telefoner och bärbara datorer för laddning och arbete. Till exempel Toshiba 2003 demonstrerade en färdig prototyp av en metanolbränslecell. Den ger en effekt på cirka 100mW. En påfyllning av 2 kuber koncentrerad (99,5 %) metanol räcker för 20 timmars användning av MP3-spelare. Återigen visade samma "Toshiba" ett 275x75x40 mm strömförsörjningselement för bärbar dator, som gör att datorn kan arbeta i 5 timmar från en laddning.

Men vissa tillverkare har gått längre. PowerTrekk har släppt Laddare med samma namn. PowerTrekk är den första vattenladdaren i världen. Det är väldigt lätt att använda det. PowerTrekk behöver vatten för att ge omedelbar ström via USB-kabeln. Denna bränslecell innehåller kiselpulver och natriumsilicid (NaSi) när de blandas med vatten, denna kombination genererar väte. Väte blandas med luft i själva bränslecellen, och det omvandlar vätet till elektricitet genom sitt membranprotonutbyte, utan fläktar eller pumpar. Du kan köpa en sådan bärbar laddare för 149 € (

Kunskapens ekologi Vetenskap och teknik: Vätgasenergi är en av de mest effektiva industrierna, och bränsleceller gör att den kan ligga i framkanten av innovativ teknik.

En bränslecell är en anordning som effektivt genererar likström och värme från ett väterikt bränsle genom en elektrokemisk reaktion.

En bränslecell liknar ett batteri genom att den genererar likström genom en kemisk reaktion. Återigen, som ett batteri, inkluderar en bränslecell en anod, en katod och en elektrolyt. Men till skillnad från batterier kan bränsleceller inte lagra elektrisk energi, laddas inte ur och kräver inte elektricitet för att laddas om. Bränsleceller kan kontinuerligt generera el så länge de har tillgång till bränsle och luft. Den korrekta termen för att beskriva en fungerande bränslecell är cellsystem, eftersom det kräver vissa hjälpsystem för att fungera korrekt.

Till skillnad från andra kraftgeneratorer som förbränningsmotorer eller turbiner som drivs på gas, kol, olja etc., förbränner bränsleceller inte bränsle. Detta innebär inga bullriga rotorer högt tryck, högt avgasljud, vibrationer. Bränsleceller genererar elektricitet genom en tyst elektrokemisk reaktion. En annan egenskap hos bränsleceller är att de omvandlar bränslets kemiska energi direkt till el, värme och vatten.

Bränsleceller är mycket effektiva och producerar inte stora mängder växthusgaser som koldioxid, metan och dikväveoxid. De enda utsläppen från bränsleceller är vatten i form av ånga och en liten mängd koldioxid, som inte släpps ut alls om rent väte används som bränsle. Bränsleceller sätts samman till enheter och sedan till separata funktionsmoduler.

Principen för drift av bränsleceller

Bränsleceller genererar elektricitet och värme på grund av den pågående elektrokemiska reaktionen, med hjälp av en elektrolyt, en katod och en anod.

Anoden och katoden är åtskilda av en elektrolyt som leder protoner. Efter att väte kommer in i anoden och syre kommer in i katoden, börjar en kemisk reaktion, som ett resultat av vilken elektrisk ström, värme och vatten genereras. På anodkatalysatorn dissocierar molekylärt väte och förlorar elektroner. Vätejoner (protoner) leds genom elektrolyten till katoden, medan elektroner passerar genom elektrolyten och genom en extern elektrisk krets, vilket skapar en likström som kan användas för att driva utrustning. På katodkatalysatorn kombineras en syremolekyl med en elektron (som tillförs från extern kommunikation) och en inkommande proton och bildar vatten, som är den enda reaktionsprodukten (i form av ånga och/eller vätska).

Nedan är motsvarande reaktion:

Anodreaktion: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktion vid katoden: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Allmän elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

Bränslecelltyper

Precis som det finns olika typer av förbränningsmotorer finns det olika typer av bränsleceller - valet lämplig typ bränslecell beror på dess tillämpning.Bränsleceller delas in i hög temperatur och låg temperatur. Lågtemperaturbränsleceller kräver relativt rent väte som bränsle.

Detta innebär ofta att bränslebearbetning krävs för att omvandla det primära bränslet (som naturgas) till rent väte. Denna process förbrukar ytterligare energi och kräver specialutrustning. Högtemperaturbränsleceller behöver inte denna extra procedur, eftersom de kan "internt omvandla" bränslet vid förhöjda temperaturer, vilket innebär att det inte finns något behov av att investera i vätgasinfrastruktur.

Bränsleelement på smält karbonat (MCFC).

Smält karbonatelektrolytbränsleceller är högtemperaturbränsleceller. Den höga driftstemperaturen tillåter direkt användning av naturgas utan bränsleprocessor och lågtemperaturbränsle. värmevärde bränsle produktionsprocess och från andra källor. Denna process utvecklades i mitten av 1960-talet. Sedan dess har tillverkningsteknik, prestanda och tillförlitlighet förbättrats.

Driften av RCFC skiljer sig från andra bränsleceller. Dessa celler använder en elektrolyt från en blandning av smälta karbonatsalter. För närvarande används två typer av blandningar: litiumkarbonat och kaliumkarbonat eller litiumkarbonat och natriumkarbonat. För att smälta karbonatsalter och uppnå en hög grad av rörlighet för joner i elektrolyten, arbetar bränsleceller med smält karbonatelektrolyt vid höga temperaturer (650°C). Verkningsgraden varierar mellan 60-80%.

Vid upphettning till en temperatur av 650°C blir salterna en ledare för karbonatjoner (CO32-). Dessa joner passerar från katoden till anoden där de kombineras med väte för att bilda vatten, koldioxid och fria elektroner. Dessa elektroner skickas genom en extern elektrisk krets tillbaka till katoden och genererar elektrisk ström och värme som en biprodukt.

Anodreaktion: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reaktion vid katoden: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Allmän elementreaktion: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katod) => H2O(g) + CO2(anod)

De höga driftstemperaturerna för bränsleceller med smält karbonatelektrolyt har vissa fördelar. Vid höga temperaturer reformeras naturgasen internt, vilket eliminerar behovet av en bränsleprocessor. Dessutom inkluderar fördelarna möjligheten att använda standardkonstruktionsmaterial, såsom rostfri stålplåt och nickelkatalysator på elektroderna. Spillvärmen kan användas för att generera högtrycksånga för olika industriella och kommersiella ändamål.

Höga reaktionstemperaturer i elektrolyten har också sina fördelar. Appliceringen av höga temperaturer tar avsevärd tid att uppnå optimala driftsförhållanden och systemet reagerar långsammare på förändringar i energiförbrukningen. Dessa egenskaper tillåter användning av bränslecellsystem med smält karbonatelektrolyt under konstanta effektförhållanden. Höga temperaturer förhindrar bränslecellsskador genom kolmonoxid, "förgiftning" etc.

Bränsleceller med smält karbonat är lämpliga för användning i stora stationära installationer. Industriellt producerade värmekraftverk med effekt elkraft 2,8 MW. Anläggningar med en uteffekt på upp till 100 MW utvecklas.

Bränsleceller baserade på fosforsyra (PFC).

Bränsleceller baserade på fosforsyra (ortofosforsyra) var de första bränslecellerna för kommersiellt bruk. Denna process utvecklades i mitten av 1960-talet och har testats sedan 1970-talet. Sedan dess har stabilitet, prestanda och kostnader ökat.

Bränsleceller baserade på fosforsyra (ortofosforsyra) använder en elektrolyt baserad på ortofosforsyra (H3PO4) med en koncentration på upp till 100 %. Fosforsyrans jonledningsförmåga är låg vid låga temperaturer, av denna anledning används dessa bränsleceller vid temperaturer upp till 150–220°C.

Laddningsbärare i bränsleceller av denna typär väte (H+, proton). En liknande process sker i protonutbytesmembranbränsleceller (MEFC), där väte som tillförs anoden delas upp i protoner och elektroner. Protonerna passerar genom elektrolyten och kombineras med syre från luften vid katoden för att bilda vatten. Elektronerna riktas längs en extern elektrisk krets och en elektrisk ström genereras. Nedan visas reaktionerna som genererar el och värme.

Anodreaktion: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaktion vid katoden: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Allmän elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

Verkningsgraden för bränsleceller baserade på fosforsyra (ortofosforsyra) är mer än 40 % när de genererar elektrisk energi. Vid kombinerad produktion av värme och el är den totala verkningsgraden cirka 85 %. Dessutom, givet driftstemperaturer, kan spillvärme användas för att värma vatten och generera ånga vid atmosfärstryck.

Den höga prestandan hos värmekraftverk på bränsleceller baserade på fosforsyra (ortofosforsyra) vid kombinerad produktion av värme och el är en av fördelarna med denna typ av bränsleceller. Anläggningarna använder kolmonoxid i en koncentration på cirka 1,5 %, vilket kraftigt utökar valet av bränsle. Dessutom påverkar inte CO2 elektrolyten och bränslecellens funktion, denna typ av celler arbetar med reformerat naturligt bränsle. Enkel konstruktion, låg elektrolytflyktighet och ökad stabilitet är också fördelar med denna typ av bränslecell.

Termiska kraftverk med en effekt på upp till 400 kW är industriellt producerade. Anläggningar för 11 MW har klarat relevanta tester. Anläggningar med en uteffekt på upp till 100 MW utvecklas.

Bränsleceller med Proton Exchange Membrane (PME)

Bränsleceller med ett protonbytesmembran anses mest bästa typen bränsleceller för att generera fordonskraft som kan ersätta bensin- och dieselförbränningsmotorer. Dessa bränsleceller användes först av NASA för Gemini-programmet. Idag utvecklas och demonstreras installationer på MOPFC med en effekt på 1 W till 2 kW.

Dessa bränsleceller använder ett fast polymermembran (tunn plastfilm) som elektrolyt. När den är impregnerad med vatten passerar denna polymer protoner, men leder inte elektroner.

Bränslet är väte och laddningsbäraren är en vätejon (proton). Vid anoden separeras vätemolekylen i en vätejon (proton) och elektroner. Vätejonerna passerar genom elektrolyten till katoden, medan elektronerna rör sig runt den yttre cirkeln och producerar elektrisk energi. Syre, som tas från luften, matas till katoden och kombineras med elektroner och vätejoner för att bilda vatten. Följande reaktioner äger rum på elektroderna:

Anodreaktion: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktion vid katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Allmän elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

Jämfört med andra typer av bränsleceller producerar protonbytesmembranbränsleceller mer effekt för en given bränslecellsvolym eller vikt. Denna funktion gör att de är kompakta och lätta. Dessutom är driftstemperaturen mindre än 100°C, vilket gör att du snabbt kan starta driften. Dessa egenskaper, liksom förmågan att snabbt ändra energiproduktionen, är bara några av de egenskaper som gör dessa bränsleceller till en utmärkt kandidat för användning i fordon.

En annan fördel är att elektrolyten är en fast substans snarare än en flytande substans. Att hålla gaserna vid katoden och anoden är lättare med en fast elektrolyt och därför är sådana bränsleceller billigare att tillverka. Jämfört med andra elektrolyter orsakar inte användningen av en fast elektrolyt problem såsom orientering, det är färre problem på grund av uppkomsten av korrosion, vilket leder till en längre hållbarhet hos cellen och dess komponenter.

Fastoxidbränsleceller (SOFC)

Fastoxidbränsleceller är de bränsleceller som har den högsta driftstemperaturen. Driftstemperaturen kan variera från 600°C till 1000°C, vilket möjliggör användning av olika typer av bränsle utan särskild förbehandling. För att hantera dessa höga temperaturer är elektrolyten som används en tunn keramisk baserad fast metalloxid, ofta en legering av yttrium och zirkonium, som är en ledare av syre (O2-) joner. Tekniken att använda fastoxidbränsleceller har utvecklats sedan slutet av 1950-talet. och har två konfigurationer: plan och rörformig.

En fast elektrolyt ger en hermetisk gasövergång från en elektrod till en annan, medan flytande elektrolyter finns i ett poröst substrat. Laddningsbäraren i bränsleceller av denna typ är syrejonen (О2-). Vid katoden separeras syremolekyler från luften till en syrejon och fyra elektroner. Syrejoner passerar genom elektrolyten och kombineras med väte för att bilda fyra fria elektroner. Elektroner leds genom en extern elektrisk krets och genererar elektrisk ström och spillvärme.

Anodreaktion: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reaktion vid katoden: O2 + 4e- => 2O2-
Allmän elementreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

Verkningsgraden för den genererade elektriska energin är den högsta av alla bränsleceller - cirka 60%. Dessutom möjliggör höga driftstemperaturer kombinerad värme- och kraftgenerering för att generera högtrycksånga. Genom att kombinera en högtemperaturbränslecell med en turbin skapas en hybridbränslecell för att öka effektiviteten i elkraftgenereringen med upp till 70 %.

Bränsleceller med fast oxid arbetar vid mycket höga temperaturer (600°C - 1000°C), vilket resulterar i lång tid för att uppnå optimala driftsförhållanden, och systemet är långsammare att reagera på förändringar i energiförbrukning. Vid så höga driftstemperaturer krävs ingen omvandlare för att återvinna väte från bränslet, vilket tillåter värmekraftverket att arbeta med relativt orena bränslen från kolförgasning eller avfallsgaser och liknande. Dessutom är denna bränslecell utmärkt för högeffektapplikationer, inklusive industriella och stora centrala kraftverk. Industriellt tillverkade moduler med en elektrisk effekt på 100 kW.

Bränsleceller med direkt metanoloxidation (DOMTE)

Tekniken att använda bränsleceller med direkt oxidation av metanol genomgår en period av aktiv utveckling. Det har framgångsrikt etablerat sig inom området för att driva mobiltelefoner, bärbara datorer, såväl som för att skapa bärbara strömkällor. vad den framtida tillämpningen av dessa element syftar till.

Strukturen hos bränsleceller med direkt oxidation av metanol liknar bränsleceller med ett protonbytesmembran (MOFEC), d.v.s. en polymer används som en elektrolyt och en vätejon (proton) används som laddningsbärare. Flytande metanol (CH3OH) oxideras dock i närvaro av vatten vid anoden och frigör CO2, vätejoner och elektroner, som leds genom en extern elektrisk krets, och en elektrisk ström genereras. Vätejoner passerar genom elektrolyten och reagerar med syre från luften och elektroner från den externa kretsen för att bilda vatten vid anoden.

Anodreaktion: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reaktion vid katoden: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Allmän elementreaktion: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Utvecklingen av dessa bränsleceller började i början av 1990-talet. Efter utvecklingen av förbättrade katalysatorer, och tack vare andra senaste innovationer, har effekttätheten och effektiviteten ökat med upp till 40 %.

Dessa element testades i temperaturområdet 50-120°C. Med låga driftstemperaturer och inget behov av en omvandlare är direkta metanolbränsleceller den bästa kandidaten för applikationer som sträcker sig från mobiltelefoner och andra konsumentprodukter till bilmotorer. Fördelen med denna typ av bränsleceller är deras små dimensioner, på grund av användningen av flytande bränsle, och frånvaron av behovet av att använda en omvandlare.

Alkaliska bränsleceller (AFC)

Alkaliska bränsleceller (ALFC) är en av de mest studerade teknologierna och har använts sedan mitten av 1960-talet. av NASA i programmen Apollo och rymdfärja. Ombord på dessa rymdfarkoster producerar bränsleceller el och dricksvatten. Alkaliska bränsleceller är ett av de mest effektiva elementen som används för att generera elektricitet, med en kraftgenereringseffektivitet på upp till 70 %.

Alkaliska bränsleceller använder en elektrolyt, det vill säga en vattenlösning av kaliumhydroxid, som finns i en porös, stabiliserad matris. Koncentrationen av kaliumhydroxid kan variera beroende på bränslecellens driftstemperatur, som sträcker sig från 65°C till 220°C. Laddningsbäraren i SFC är en hydroxidjon (OH-) som rör sig från katoden till anoden, där den reagerar med väte för att producera vatten och elektroner. Vattnet som produceras vid anoden rör sig tillbaka till katoden och genererar återigen hydroxidjoner där. Som ett resultat av denna serie av reaktioner som äger rum i bränslecellen produceras elektricitet och, som en biprodukt, värme:

Anodreaktion: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaktion vid katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Allmän reaktion av systemet: 2H2 + O2 => 2H2O

Fördelen med SFC är att dessa bränsleceller är billigast att tillverka, eftersom den katalysator som behövs på elektroderna kan vara vilken som helst av de ämnen som är billigare än de som används som katalysatorer för andra bränsleceller. Dessutom arbetar SCFC vid en relativt låg temperatur och är bland de mest effektiva bränslecellerna - sådana egenskaper kan respektive bidra till snabbare kraftgenerering och hög bränsleeffektivitet.

En av karaktäristiska egenskaper SHTE - hög känslighet för CO2, som kan finnas i bränsle eller luft. CO2 reagerar med elektrolyten, förgiftar den snabbt och minskar bränslecellens effektivitet kraftigt. Därför är användningen av SFC begränsad till slutna utrymmen som rymd- och undervattensfarkoster, de måste drivas på rent väte och syre. Dessutom är molekyler som CO, H2O och CH4, som är säkra för andra bränsleceller och till och med bränsle för vissa av dem, skadliga för SFC.

Polymerelektrolytbränsleceller (PETE)

När det gäller polymerelektrolytbränsleceller består polymermembranet av polymerfibrer med vattenområden där det finns en ledning av vattenjoner H2O+ (proton, röd) är fäst vid vattenmolekylen. Vattenmolekyler utgör ett problem på grund av långsamt jonbyte. Därför krävs en hög koncentration av vatten både i bränslet och på avgaselektroderna, vilket begränsar driftstemperaturen till 100°C.

Fasta sura bränsleceller (SCFC)

I fasta sura bränsleceller innehåller elektrolyten (CsHSO4) inte vatten. Driftstemperaturen är därför 100-300°C. Rotationen av SO42-oxianjonerna gör att protonerna (röda) kan röra sig som visas i figuren.

Vanligtvis är en fast sur bränslecell en sandwich i vilken ett mycket tunt lager av fast syraförening är inklämt mellan två tätt komprimerade elektroder för att säkerställa god kontakt. Vid upphettning avdunstar den organiska komponenten och lämnar genom porerna i elektroderna, vilket bibehåller förmågan till många kontakter mellan bränslet (eller syret i den andra änden av cellerna), elektrolyten och elektroderna.

Bränslecellstyp	Arbetstemperatur	Kraftgenereringseffektivitet	Bränsletyp	Applikationsområde
RKTE	550–700°C	50-70%		Medelstora och stora installationer
FKTE	100–220°C	35-40%	rent väte	Stora installationer
MOPTE	30-100°C	35-50%	rent väte	Små installationer
SOFC	450–1000°C	45-70%	De flesta kolvätebränslen	Små, medelstora och stora installationer
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Bärbara enheter
SHTE	50–200°C	40-65%	rent väte	rymdforskning
PETE	30-100°C	35-50%	rent väte	Små installationer

Häng med oss ​​kl

Kort efter starten av sin resa kommer Aloy att snubbla över en Forerunner-bunker, som ligger strax utanför Nora-stammens landområden. Inne i bunkern, bakom en kraftfull dörr, finns det någon sorts rustning som ser väldigt attraktiv ut på långt håll.

telegraf

tweet

Kort efter starten av sin resa kommer Aloy att snubbla över en Forerunner-bunker, som ligger strax utanför Nora-stammens landområden. Inne i bunkern, bakom en kraftfull dörr, finns det någon sorts rustning som ser väldigt attraktiv ut på långt håll.

Detta är faktiskt Shield Weaver - den bästa utrustningen i spelet. Hur kommer man till det? För att öppna den lufttäta bunkerdörren och få Shield Weaver måste du hitta fem bränsleceller utspridda i spelvärlden.

Nedan visar vi var du kan leta efter bränsleceller och hur du löser pussel medan du söker och i Ancient Armory.

Bränslecell #1 - Mother's Heart (quest Womb of the Mother)

Aloy kommer att hitta den allra första bränslecellen redan innan den blir full öppen värld. Efter invigningen kommer vår hjältinna att befinna sig i hjärtat av modern, den heliga platsen för Nora-stammen och matriarkernas boning.

När Aloy går upp ur sängen kommer han att gå igenom flera rum i följd och i ett av dem kommer han att stöta på en förseglad dörr som inte kan öppnas. Se dig omkring - det kommer att finnas ett ventilationsschakt i närheten, dekorerat med brinnande ljus. du där.

Efter att ha gått igenom gruvan kommer du att befinna dig bakom en låst dörr. Titta på golvet bredvid ljusen och det mystiska väggblocket - här finns en bränslecell.

Viktig: Om du inte plockar upp den här bränslecellen nu, kommer du bara att kunna ta dig till den här platsen igen i de senare stadierna av spelet, efter att ha slutfört "Heart of the Burrow"-uppdraget.

Bränslecell #2 - Ruiner

Aloy hade varit i dessa ruiner tidigare - hon hade ramlat här som barn. Efter att ha klarat invigningen är det värt att komma ihåg din barndom och återvända hit igen - plocka upp det andra bränsleelementet.

Ingången till ruinerna ser ut så här, hoppa djärvt.

Du behöver ruinernas första nivå, det nedre högra området markerat i lila på kartan. Det finns en dörr här som Aloy kommer att öppna med sitt spjut.

Efter att ha gått in genom dörren, gå upp för trappan och sväng höger - Aloy kunde inte klättra genom dessa stalaktiter i sin ungdom, men nu har hon ett argument. Ta ut spjutet igen och bryt stalaktiterna - vägen är fri, det återstår att ta bränsleelementet som ligger på bordet.

Bränslecell #3 - Master's Limit (Master's Limit Quest)

Vi är på väg norrut. Under berättelseuppdraget, Master's Reach, utforskar Aloy de gigantiska Forerunner-ruinerna. Gömd på ruinernas tolfte nivå finns ytterligare en bränslecell.

Du måste inte bara klättra till den övre nivån av ruinerna, utan också klättra lite högre. Klättra upp den överlevande delen av byggnaden tills du befinner dig på en liten plattform öppen för alla vindar.

Det är här den tredje bränslecellen ligger. Det återstår att gå ner.

Bränslecell #4 - Treasure of Death (uppgift Treasure of Death)

Detta bränsleelement är också gömt i den norra delen av kartan, men det är mycket närmare Nora-stammens landområden. Aloy kommer också att komma hit under berättelseuppdragets gång.

För att komma till elementet måste Aloy återställa strömförsörjningen till den förseglade dörren på den tredje nivån av platsen.

För att göra detta måste du lösa ett litet pussel - det finns två block med fyra regulatorer på nivån under dörren.

Låt oss först ta itu med det vänstra blocket av regulatorer. Den första knappen ska "titta" uppåt, den andra "till höger", den tredje "till vänster", den fjärde "nedåt".

Vi passerar till höger kvarter. Du rör inte vid de två första regulatorerna, den tredje och fjärde regulatorn ska se "nedåt".

Vi stiger en nivå upp - här är det sista blocket av regulatorer. Rätt ordning är: upp, ner, vänster, höger.

Om du gör allt rätt, kommer alla kontroller att ändra färg till turkos, strömförsörjningen återställs. Klättra tillbaka till dörren och öppna den - det är ett annat bränsleelement.

Bränslecell #5 - GAIA Prime (quest Fallen Mountain)

Äntligen sista bränslecellen – och återigen på tomtuppgiften. Aloy reser till ruinerna av GAEA Prime.

Var särskilt försiktig när du kommer till den tredje nivån. Vid något tillfälle kommer det att finnas en attraktiv avgrund framför Ala, i vilken du kan gå ner på ett rep - du går dit behövs inte.

Det är bättre att svänga vänster och utforska den gömda grottan, man kan ta sig in i den om man försiktigt går nerför bergssidan.

Kom in och gå framåt till slutet. I det sista rummet till höger kommer det att finnas ett ställ med den sista bränslecellen på. Du gjorde det!

På väg till det antika arsenalet

Det återstår att återvända till Ancient Arsenal och få en välförtjänt belöning. Kommer du ihåg koordinaterna för arsenalen? Om inte, här är kartan.

Klättra ner och sätt in bränsleceller i tomma celler. Regulatorerna brinner, nu måste du lösa pusslet för att öppna dörren.

Den första knappen ska titta uppåt, den andra till höger, den tredje nedåt, den fjärde till vänster, den femte upp. Klart, dörren är öppen – men det är inte över än.

Nu måste du låsa upp pansarfästena - ytterligare ett regulatorpussel där de återstående bränslecellerna kommer väl till pass. Här ska den första knappen se till höger, den andra till vänster, den tredje uppåt, den fjärde till höger, den femte till vänster.

Äntligen, efter all denna plåga, har du tagit den gamla rustningen i besittning. Detta är Shield Weaver, en väldigt cool utrustning som gör Aloy praktiskt taget osårbar ett tag.

Det viktigaste är att noggrant övervaka färgen på rustningen: om den flimrar vitt är allt i sin ordning. Om den är röd finns det inget skydd längre.

De drivs av rymdfarkoster från US National Aeronautics and Space Administration (NASA). De ger ström till datorerna i First National Bank i Omaha. De används på vissa offentliga stadsbussar i Chicago.

Dessa är alla bränsleceller. Bränsleceller är elektrokemiska enheter som genererar elektricitet utan förbränningsprocessen - kemiskt, ungefär som batterier. Den enda skillnaden är att de använder olika kemiska substanser, väte och syre, och produkten av den kemiska reaktionen är vatten. Naturgas kan också användas, men en viss nivå av koldioxidutsläpp är naturligtvis oundviklig vid användning av kolvätebränslen.

Eftersom bränsleceller kan arbeta med hög effektivitet och utan skadliga utsläpp, lovar de mycket som en hållbar energikälla som kommer att bidra till att minska utsläppen av växthusgaser och andra föroreningar. Det främsta hindret för utbredd användning av bränsleceller är deras höga kostnad jämfört med andra enheter som genererar elektricitet eller driver fordon.

Utvecklingshistoria

De första bränslecellerna demonstrerades av Sir William Groves 1839. Groves visade att elektrolysprocessen - uppdelningen av vatten till väte och syre under inverkan av en elektrisk ström - är reversibel. Det vill säga att väte och syre kan kombineras kemiskt för att bilda elektricitet.

Efter att detta demonstrerats skyndade sig många forskare att studera bränsleceller med flit, men uppfinningen av förbränningsmotorn och utvecklingen av infrastrukturen för utvinning av oljereserver under andra hälften av artonhundratalet lämnade utvecklingen av bränsleceller långt bakom sig. Ännu mer begränsad utvecklingen av bränsleceller deras höga kostnad.

Ökningen av bränslecellsutvecklingen kom på 1950-talet, när NASA vände sig till dem i samband med behovet av en kompakt elektrisk generator för rymdflyg. Lämpliga medel investerades och som ett resultat genomfördes Apollo- och Gemini-flygningar på bränsleceller. Rymdfarkoster körs också på bränsleceller.

Bränsleceller är fortfarande till stor del en experimentell teknik, men flera företag säljer dem redan på den kommersiella marknaden. Bara under de senaste nästan tio åren har betydande framsteg gjorts inom kommersiell bränslecellsteknik.

Hur en bränslecell fungerar

Bränsleceller är som batterier - de genererar elektricitet genom en kemisk reaktion. Däremot förbränner förbränningsmotorer bränsle och genererar därmed värme, som sedan omvandlas till mekanisk energi. Om inte värmen från avgaserna används på något sätt (till exempel för uppvärmning eller luftkonditionering), kan man säga att effektiviteten hos en förbränningsmotor är ganska låg. Det förväntas till exempel att effektiviteten hos bränsleceller när de används i ett fordon - ett projekt som för närvarande är under utveckling - kommer att vara mer än dubbelt så effektiva som dagens typiska bensinmotorer som används i bilar.

Även om både batterier och bränsleceller genererar elektricitet kemiskt, utför de två mycket olika funktioner. Batterier är lagrade energienheter: elektriciteten de genererar är resultatet av en kemisk reaktion av materia som redan finns inuti dem. Bränsleceller lagrar inte energi, utan omvandlar en del av energin från ett externt tillfört bränsle till el. I detta avseende är en bränslecell mer som ett konventionellt kraftverk.

Det finns flera olika typer av bränsleceller. Den enklaste bränslecellen består av ett speciellt membran som kallas elektrolyt. Pulveriserade elektroder avsätts på båda sidor av membranet. Denna design - en elektrolyt omgiven av två elektroder - är ett separat element. Väte strömmar till ena sidan (anod) och syre (luft) till den andra (katod). Varje elektrod har en annan kemisk reaktion.

Vid anoden bryts väte ner till en blandning av protoner och elektroner. I vissa bränsleceller är elektroderna omgivna av en katalysator, vanligtvis gjord av platina eller andra ädelmetaller, vilket främjar dissociationsreaktionen:

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

H2 = diatomisk vätemolekyl, form, in

i vilken väte är närvarande som en gas;

H+ = joniserat väte, dvs. proton;

e- = elektron.

Driften av en bränslecell bygger på det faktum att elektrolyten passerar protoner genom sig själv (mot katoden), men elektroner gör det inte. Elektronerna rör sig mot katoden längs den yttre ledande kretsen. Denna rörelse av elektroner är en elektrisk ström som kan användas för att driva en extern enhet ansluten till bränslecellen, till exempel en elmotor eller en glödlampa. Denna enhet kallas vanligtvis för en "belastning".

På katodsidan av bränslecellen "rekombinerar" protoner (som har passerat genom elektrolyten) och elektroner (som har passerat genom den externa belastningen) och reagerar med syret som tillförs katoden för att bilda vatten, H2O:

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

Den övergripande reaktionen i bränslecellen skrivs som:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

I sitt arbete använder bränsleceller vätebränsle och syre från luften. Väte kan tillföras direkt eller genom att separera det från en extern bränslekälla som naturgas, bensin eller metanol. När det gäller en extern källa måste den omvandlas kemiskt för att extrahera vätet. Denna process kallas "reformering". Väte kan också erhållas från ammoniak, alternativa källor som gas från stadsdeponier och avloppsreningsverk, och vattenelektrolys, som använder elektricitet för att bryta ner vatten till väte och syre. För närvarande använder de flesta bränslecellsteknologier som används inom transporter metanol.

Olika medel har utvecklats för att reformera bränsle för att producera väte för bränsleceller. Det amerikanska energidepartementet har utvecklat en bränsleanläggning inuti en bensinreformator för att leverera väte till en fristående bränslecell. Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory i USA har visat en kompakt bränslereformer som är en tiondel av storleken på ett kraftpaket. USA:s elbolag, Northwest Power Systems och Sandia National Laboratory har demonstrerat en bränslereformer som omvandlar dieselbränsle till väte för bränsleceller.

Individuellt producerar bränsleceller cirka 0,7-1,0 volt var. För att öka spänningen sätts elementen ihop till en "kaskad", d.v.s. seriell anslutning. För att skapa mer ström kopplas uppsättningar av kaskadelement parallellt. Om du kombinerar bränslecellskaskader med en bränsleanläggning, ett lufttillförsel- och kylsystem samt ett styrsystem får du en bränslecellsmotor. Denna motor kan driva ett fordon, ett stationärt kraftverk eller en bärbar elektrisk generator6. Bränslecellsmotorer finns i en mängd olika storlekar beroende på applikation, bränslecellstyp och bränsle som används. Till exempel är storleken på var och en av de fyra separata stationära kraftverken på 200 kW som installerats vid banken i Omaha ungefär lika stor som en lastbilssläp.

Ansökningar

Bränsleceller kan användas i både stationära och mobila enheter. Som svar på de skärpta amerikanska utsläppsbestämmelserna har biltillverkare inklusive DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda och Nissan experimenterat och demonstrerat bränslecellsfordon. De första kommersiella bränslecellsfordonen förväntas komma ut på vägarna 2004 eller 2005.

En viktig milstolpe i bränslecellsteknologins historia var demonstrationen i juni 1993 av Ballard Power Systems experimentella 32-fots stadsbuss med en bränslecellsmotor på 90 kilowatt. Sedan dess har många olika typer och olika generationer av bränslecellspassagerarfordon som drivs av olika typer bränsle. Sedan slutet av 1996 har tre vätebränslecellsdrivna golfbilar använts i Palm Desert i Kalifornien. På vägarna i Chicago, Illinois; Vancouver, British Columbia; och Oslo, Norge testar stadsbussar med bränslecell. Alkaliska bränslecellstaxibilar testas på Londons gator.

Även fasta installationer med bränslecellsteknik demonstreras, men dessa används ännu inte i stor utsträckning kommersiellt. First National Bank of Omaha i Nebraska använder ett bränslecellsystem för att driva datorerna eftersom systemet är mer tillförlitligt än det gamla nätsystemet med batteribackup. Världens största kommersiella bränslecellsystem på 1,2 MW kommer snart att installeras vid ett postcenter i Alaska. Bränslecellsbärbara datorer, styrsystem som används i avloppsreningsverk och varuautomater testas och demonstreras också.

"För-och nackdelar"

Bränsleceller har en rad fördelar. Medan verkningsgraden för moderna förbränningsmotorer endast är 12-15 %, är denna koefficient för bränsleceller 50 %. Effektiviteten hos bränsleceller kan förbli på ganska bra hög nivå, även när de inte används vid full märkeffekt, vilket är en stor fördel jämfört med bensinmotorer.

Den modulära karaktären hos bränslecelldesignen gör att kapaciteten hos ett bränslecellskraftverk kan ökas genom att helt enkelt lägga till några fler steg. Detta säkerställer att kminimeras, vilket möjliggör bättre matchning av utbud och efterfrågan. Eftersom effektiviteten hos en bränslecellstapel bestäms av de enskilda cellernas prestanda, fungerar små bränslecellskraftverk lika effektivt som stora. Dessutom kan spillvärme från stationära bränslecellsystem användas för vatten- och rumsuppvärmning, vilket ytterligare ökar energieffektiviteten.

När man använder bränsleceller finns det praktiskt taget inga skadliga utsläpp. När motorn går på rent väte bildas bara värme och ren vattenånga som biprodukter. Så på rymdfarkoster dricker astronauter vatten, som bildas som ett resultat av driften av bränsleceller ombord. Sammansättningen av utsläppen beror på vätgaskällans karaktär. Användningen av metanol ger nollutsläpp av kväveoxider och kolmonoxid och endast små kolväteutsläpp. Utsläppen ökar när du går från väte till metanol till bensin, men även med bensin kommer utsläppen att förbli ganska låga. Hur som helst skulle ett utbyte av dagens traditionella förbränningsmotorer med bränsleceller resultera i en total minskning av CO2- och NOx-utsläppen.

Användningen av bränsleceller ger flexibiliteten i energiinfrastrukturen, vilket skapar ytterligare möjligheter för decentraliserad kraftproduktion. Mångfalden av decentraliserade energikällor gör det möjligt att minska överföringsförlusterna och utveckla energiförsäljningsmarknader (vilket är särskilt viktigt för avlägsna och landsbygdsområden där det inte finns tillgång till kraftledningar). Med hjälp av bränsleceller kan enskilda invånare eller stadsdelar förse sig med det mesta av elen och därmed avsevärt öka effektiviteten i dess användning.

Bränsleceller erbjuder högkvalitativ energi och förbättrad tillförlitlighet. De är hållbara, har inga rörliga delar och producerar en konstant mängd kraft.

Bränslecellstekniken behöver dock förbättras ytterligare för att förbättra prestandan, minska kostnaderna och därmed göra bränsleceller konkurrenskraftiga med andra energitekniker. Det bör noteras att när energiteknikens kostnadsegenskaper beaktas, bör jämförelser göras på grundval av alla komponenter i de tekniska egenskaperna, inklusive driftskostnader för kapital, utsläpp av föroreningar, energikvalitet, hållbarhet, avveckling och flexibilitet.

Även om vätgas är det bästa bränslet, finns inte infrastrukturen eller transportbasen för det ännu. På kort sikt skulle befintliga försörjningssystem för fossila bränslen (bensinstationer etc.) kunna användas för att förse kraftverk med vätgaskällor i form av bensin, metanol eller naturgas. Detta skulle eliminera behovet av dedikerade vätgastankstationer, men skulle kräva att varje fordon förses med en omvandlare från fossilt bränsle till väte ("reformer"). Nackdelen med detta tillvägagångssätt är att det använder fossila bränslen och därmed resulterar i koldioxidutsläpp. Metanol, som för närvarande är den ledande kandidaten, skapar färre utsläpp än bensin, men det skulle kräva en större tank på en bil eftersom den tar dubbelt så mycket plats för samma energiinnehåll.

Till skillnad från försörjningssystem för fossila bränslen kan sol- och vindsystem (som använder elektricitet för att skapa väte och syre från vatten) och direkta fotoomvandlingssystem (med hjälp av halvledarmaterial eller enzymer för att producera väte) leverera väte utan ett reformeringssteg, och på detta sätt kan utsläppen av skadliga ämnen, som observeras vid användning av metanol eller bensinbränsleceller, skulle kunna undvikas. Vätgasen kunde lagras och omvandlas till el i bränslecellen efter behov. Framöver kommer sannolikt att ansluta bränsleceller till dessa typer av förnybara energikällor en effektiv strategi för att tillhandahålla en produktiv, miljövänlig och mångsidig energikälla.

IEER rekommendationer är att lokala och federala myndigheter, såväl som delstatsregeringar, tilldelade en del av sina inköpsbudgetar för transporter till bränslecellsfordon, samt till stationära system på bränsleceller för att ge värme och el till några av dess betydande eller nya byggnader. Detta kommer att bidra till utvecklingen av livsviktig teknik och minska utsläppen av växthusgaser.