Ubacim priključak crijeva za punjenje u otvor za punjenje goriva i okrenem ga za pola okreta da zatvorim spoj. Klik prekidača - i trepćuća LED dioda na benzinskoj pumpi sa ogromnim natpisom h3 označava da je punjenje goriva počelo. Minut - i rezervoar je pun, možete ići!

Elegantne konture karoserije, ultra-nisko ogibljenje, niskoprofilni slicks odaju pravu trkačku rasu. Kroz prozirni poklopac vidljiva je zamršena mreža cjevovoda i kablova. Već sam negde video slično rešenje... O da, na Audiju R8 motor se vidi i kroz zadnje staklo. Ali kod Audija je to tradicionalni benzin, a ovaj automobil radi na vodonik. Kao i BMW Hydrogen 7, ali za razliku od potonjeg, nema motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Jedini pokretni dijelovi su upravljački mehanizam i rotor elektromotora. A energiju za to osigurava gorivna ćelija. Ovaj automobil je proizvela singapurska kompanija Horizon Fuel Cell Technologies, specijalizovana za razvoj i proizvodnju gorivnih ćelija. Britanska kompanija Riversimple je 2009. godine već predstavila gradski auto na vodik koji pokreće Horizon Fuel Cell Technologies gorive ćelije. Razvijen je u saradnji sa univerzitetima Oxford i Cranfield. Ali Horizon H-racer 2.0 je solo razvoj.

Gorivna ćelija se sastoji od dvije porozne elektrode obložene slojem katalizatora i razdvojene membranom za izmjenu protona. Vodik na anodnom katalizatoru se pretvara u protone i elektrone, koji putuju kroz anodu i vanjski električni krug do katode, gdje se vodonik i kisik rekombinuju u vodu.

"Idi!" - gurne me laktom glavni urednik po Gagarinu. Ali ne tako brzo: prvo morate "zagrijati" gorivu ćeliju pri djelomičnom opterećenju. Prebacim prekidač u režim “zagrijavanje” i čekam dodijeljeno vrijeme. Zatim, za svaki slučaj, dopunjavam rezervoar dok se ne napuni. Sada idemo: auto, dok motor tiho bruji, kreće naprijed. Dinamika je impresivna, mada, usput, šta drugo možete očekivati ​​od električnog automobila - obrtni moment je konstantan pri bilo kojoj brzini. Iako ne zadugo - pun rezervoar vodika traje samo nekoliko minuta (Horizon obećava da će uskoro objaviti novu verziju, u kojoj se vodonik ne skladišti kao gas pod pritiskom, već se zadržava poroznim materijalom u adsorberu ). I, iskreno govoreći, nije baš kontrolisan - postoje samo dva dugmeta na daljinskom upravljaču. Ali u svakom slučaju, šteta što je ovo samo igračka na radio-kontrolu, koja nas je koštala 150 dolara. Ne bismo imali ništa protiv da vozimo pravi automobil sa gorivnim ćelijama za snagu.

Rezervoar, elastična gumena posuda unutar krutog kućišta, rasteže se prilikom dopunjavanja goriva i radi kao pumpa za gorivo, "cijedi" vodonik u gorivu ćeliju. Kako se rezervoar ne bi "prepunio", jedan od priključaka je spojen plastičnom cijevi na ventil za ispuštanje tlaka u nuždi.

Benzinska pumpa

Uradi sam

Stroj Horizon H-racer 2.0 se isporučuje kao komplet za sastavljanje velikih razmjera (uradi sam), možete ga kupiti, na primjer, na Amazonu. Međutim, montaža nije teška - samo postavite gorivnu ćeliju na mjesto i pričvrstite je vijcima, spojite crijeva na rezervoar za vodonik, gorivu ćeliju, grlo za punjenje i ventil za slučaj nužde, a preostaje samo staviti gornji dio karoserija na mestu, ne zaboravljajući prednji i zadnji branik. Komplet uključuje punionicu koja proizvodi vodonik elektrolizom vode. Napajaju ga dvije AA baterije, a ako želite da energija bude potpuno „čista“, solarni paneli (takođe su uključeni u komplet).

www.popmech.ru

Kako napraviti gorivu ćeliju vlastitim rukama?

Naravno, najjednostavnije rješenje problema osiguravanja stalnog rada sistema bez goriva je kupovina gotovog sekundarnog izvora energije na hidrauličnoj ili bilo kojoj drugoj osnovi, ali u ovom slučaju sigurno neće biti moguće izbjeći dodatne košta, a u tom procesu prilično je teško razmotriti bilo kakvu ideju za let kreativne misli. Osim toga, izrada gorive ćelije vlastitim rukama uopće nije tako teška kao što mislite na prvi pogled, a čak i najneiskusniji majstor može se nositi sa zadatkom po želji. Osim toga, više nego ugodan bonus bit će niska cijena izrade ovog elementa, jer se unatoč svim njegovim prednostima i važnosti, apsolutno lako možete zadovoljiti sredstvima koja već imate pri ruci.

U ovom slučaju, jedina nijansa koja se mora uzeti u obzir prije dovršetka zadatka je da vlastitim rukama možete napraviti uređaj izuzetno male snage, a implementaciju naprednijih i složenijih instalacija i dalje treba prepustiti kvalificiranim stručnjacima. Što se tiče redoslijeda rada i redoslijeda radnji, prvi korak je kompletiranje karoserije, za što je najbolje koristiti pleksiglas debelog zida (najmanje 5 centimetara). Za lijepljenje zidova kućišta i ugradnju unutarnjih pregrada, za koje je najbolje koristiti tanji pleksiglas (dovoljno je 3 milimetra), idealno je koristiti dvokompozitni ljepilo, iako ako baš želite, možete i sami napraviti kvalitetno lemljenje, koristeći sljedeće proporcije: na 100 grama hloroforma - 6 grama strugotine od istog pleksiglasa.

U ovom slučaju, proces se mora provoditi isključivo ispod haube. Da bi se kućište opremilo takozvanim odvodnim sistemom, potrebno je pažljivo izbušiti prolaznu rupu u njegovom prednjem zidu, čiji će prečnik tačno odgovarati dimenzijama gumenog čepa, koji služi kao neka vrsta brtve između kućište i staklena odvodna cijev. Što se tiče veličine same cijevi, u idealnom slučaju njena širina bi trebala biti pet do šest milimetara, iako sve ovisi o vrsti konstrukcije koja se projektuje. Vjerovatnije je reći da će stara gas maska ​​navedena na popisu potrebnih elemenata za izradu gorive ćelije izazvati iznenađenje kod potencijalnih čitalaca ovog članka. U međuvremenu, cijela prednost ovog uređaja leži u aktivnom ugljenu smještenom u odjeljcima njegovog respiratora, koji se kasnije može koristiti kao elektrode.

Budući da govorimo o puderastoj konzistenciji, za poboljšanje dizajna trebat će vam najlonske čarape, od kojih možete lako napraviti vrećicu i staviti ugalj u nju, inače će jednostavno izliti iz rupe. Što se tiče funkcije distribucije, koncentracija goriva se javlja u prvoj komori, dok će kisik neophodan za normalno funkcioniranje gorivne ćelije, naprotiv, cirkulirati u posljednjem, petom odjeljku. Sam elektrolit, koji se nalazi između elektroda, treba natopiti posebnom otopinom (benzin sa parafinom u omjeru od 125 do 2 mililitra), a to se mora učiniti prije stavljanja zračnog elektrolita u četvrti odjeljak. Da bi se osigurala pravilna vodljivost, bakrene ploče s prethodno zalemljenim žicama polažu se na ugalj, kroz koje će se prenositi električna energija s elektroda.

Ova faza dizajna može se sa sigurnošću smatrati završnom fazom, nakon koje se puni gotov uređaj, za koji će biti potreban elektrolit. Da biste ga pripremili, potrebno je pomiješati etilni alkohol s destilovanom vodom u jednakim dijelovima i početi postepeno unositi kaustični kalij u količini od 70 grama po čaši tekućine. Prvi test proizvedenog uređaja uključuje istovremeno punjenje prve (tečno gorivo) i treće (elektrolit od etilnog alkohola i kaustičnog kalija) posude kućišta od pleksiglasa.

uznay-kak.ru

Vodikove gorive ćelije | LAVENT

Odavno sam želio da vam kažem o još jednom pravcu kompanije Alfaintek. Ovo je razvoj, prodaja i servis vodoničnih gorivnih ćelija. Želeo bih odmah da objasnim situaciju sa ovim gorivnim ćelijama u Rusiji.

Zbog prilično visoke cijene i potpunog nedostatka vodoničnih stanica za punjenje ovih gorivnih ćelija, ne očekuje se njihova prodaja u Rusiji. Ipak, u Evropi, posebno u Finskoj, ove gorive ćelije svake godine postaju sve popularnije. u čemu je tajna? Hajde da pogledamo. Ovaj uređaj je ekološki prihvatljiv, jednostavan za korištenje i efikasan. Ona dolazi u pomoć osobi tamo gdje mu je potrebna električna energija. Možete ga ponijeti sa sobom na put, na planinarenje ili ga koristiti u svojoj seoskoj kući ili stanu kao autonomni izvor električne energije.

Električna energija u gorivoj ćeliji nastaje kemijskom reakcijom vodika iz spremnika s metalnim hidridom i kisikom iz zraka. Cilindar nije eksplozivan i može se godinama čuvati u vašem ormaru, čekajući na krilima. Ovo je možda jedna od glavnih prednosti ove tehnologije skladištenja vodonika. Upravo je skladištenje vodonika jedan od glavnih problema u razvoju vodoničnog goriva. Jedinstvene nove lagane gorivne ćelije koje pretvaraju vodonik u konvencionalnu električnu energiju sigurno, tiho i bez emisija.

Ova vrsta električne energije može se koristiti na mjestima gdje nema centralne struje, ili kao izvor napajanja u nuždi.

Za razliku od konvencionalnih baterija, koje je potrebno puniti i isključiti iz električnog potrošača tokom procesa punjenja, gorivna ćelija radi kao “pametan” uređaj. Ova tehnologija omogućava neprekidno napajanje tokom čitavog perioda upotrebe zahvaljujući jedinstvenoj funkciji uštede energije pri promeni rezervoara za gorivo, što omogućava korisniku da nikada ne isključi potrošača. U zatvorenom kućištu, gorive ćelije se mogu čuvati nekoliko godina bez gubitka volumena vodika i smanjenja njihove snage.

Gorivna ćelija je dizajnirana za naučnike i istraživače, policiju, hitne službe, vlasnike čamaca i marina i svakoga kome je potreban pouzdan izvor napajanja u slučaju nužde. Možete dobiti 12 volti ili 220 volti i tada ćete imati dovoljno energije da pokrenete svoj TV, stereo uređaj, frižider, aparat za kafu, čajnik, usisivač, bušilicu, mikrošporet i druge električne uređaje.

Hidroćelije se mogu prodavati kao pojedinačna jedinica ili u baterijama od 2-4 ćelije. Dva ili četiri elementa se mogu kombinovati kako bi se povećala snaga ili povećala amperaža.

VRIJEME RADA KUĆANSKIH APARATA SA GORIVNIM ĆELIJAMA

	Električnih aparata	Radno vrijeme dnevno (min.)	Obavezno snaga po danu (Wh)	Vrijeme rada sa gorivnim ćelijama
	Kuhalo za vodu
	Aparat za kafu
	Microslab
	TV
	1 sijalica 60W
	1 sijalica 75W
	3 sijalice 60W
	Laptop računar
	Frižider
	Lampa koja štedi energiju

* - kontinuirani rad

Gorivne ćelije se potpuno pune na posebnim vodoničnim stanicama. Ali šta ako putujete daleko od njih i nema načina da se napunite? Posebno za takve slučajeve, stručnjaci Alfainteka razvili su cilindre za skladištenje vodonika, s kojima će gorive ćelije raditi mnogo duže.

Dostupna su dva tipa cilindara: NS-MN200 i NS-MN1200.Sklopljeni NS-MN200 je nešto veći od limenke Coca-Cole, sadrži 230 litara vodonika, što odgovara 40Ah (12V), a težak je samo 2,5 kg .Metalni hidridni cilindar NS-MH1200 drži 1200 litara vodonika, što odgovara 220Ah (12V). Težina cilindra je 11 kg.

Tehnika metal-hidrida je siguran i jednostavan način skladištenja, transporta i upotrebe vodonika. Kada se skladišti kao metalni hidrid, vodonik je u obliku hemijskog jedinjenja, a ne u gasovitom obliku. Ova metoda omogućava dobivanje dovoljno velike gustoće energije. Prednost upotrebe metal-hidrida je u tome što je pritisak unutar cilindra samo 2-4 bara.Cilindar nije eksplozivan i može se skladištiti godinama bez smanjenja zapremine supstance. Pošto se vodonik skladišti kao metalni hidrid, čistoća vodonika dobijenog iz cilindra je vrlo visoka i iznosi 99,999%. Metal-hidridni cilindri za skladištenje vodonika mogu se koristiti ne samo sa HC 100,200,400 gorivnim ćelijama, već iu drugim slučajevima kada je potreban čisti vodonik. Cilindri se mogu lako spojiti na gorivnu ćeliju ili drugi uređaj pomoću konektora za brzo spajanje i fleksibilnog crijeva.

Šteta što se ove gorive ćelije ne prodaju u Rusiji. Ali među našim stanovništvom ima toliko ljudi kojima su potrebni. Pa, sačekaćemo pa ćemo videti, a videćete, imaćemo malo. U međuvremenu ćemo kupiti štedljive sijalice koje nameće država.

P.S. Izgleda da je tema konačno izbledela u zaboravu. Toliko godina nakon što je ovaj članak napisan, ništa nije bilo od toga. Možda ne gledam svuda, naravno, ali ono što mi upada u oči nije nimalo prijatno. Tehnologija i ideja su dobri, ali još nisu našli nikakav razvoj.

lavent.ru

Gorivne ćelije su budućnost koja počinje danas!

Početak 21. stoljeća ekologiju smatra jednim od najvažnijih globalnih izazova. I prva stvar na koju treba obratiti pažnju u sadašnjim uslovima je traženje i korišćenje alternativnih izvora energije. Oni su ti koji su u stanju da spreče zagađenje naše životne sredine, kao i da potpuno napuste stalno rastuće cene goriva na bazi ugljovodonika.

Već danas su izvori energije poput solarnih ćelija i vjetroturbina našli primjenu. Ali, nažalost, njihov nedostatak je povezan s ovisnošću o vremenu, kao i o godišnjem dobu i dobu dana. Iz tog razloga postupno se napušta njihova upotreba u astronautici, zrakoplovnoj i automobilskoj industriji, a za stacionarnu upotrebu opremaju se sekundarnim izvorima energije - baterijama.

Međutim, najbolje rješenje je gorivna ćelija, jer ne zahtijeva stalno punjenje energijom. Ovo je uređaj koji je sposoban da prerađuje i pretvara različite vrste goriva (benzin, alkohol, vodonik, itd.) direktno u električnu energiju.

Gorivna ćelija radi na sljedećem principu: gorivo se dovodi izvana, koje se oksidira kisikom, a oslobođena energija se pretvara u električnu energiju. Ovaj princip rada osigurava gotovo vječan rad.

Od kraja 19. vijeka, naučnici su proučavali samu gorivnu ćeliju i stalno razvijali njene nove modifikacije. Tako danas, u zavisnosti od uslova rada, postoje alkalni ili alkalni (AFC), direktni borohidratni (DBFC), elektrogalvanski (EGFC), direktni metanolni (DMFC), cink-vazdušni (ZAFC), mikrobni (MFC), modeli Poznati su i na bazi mravlje kiseline (DFAFC) i metalnih hidrida (MHFC).

Jedna od najperspektivnijih je vodonična gorivna ćelija. Korištenje vodika u elektranama je praćeno značajnim oslobađanjem energije, a izduv iz takvog uređaja je čista vodena para ili voda za piće, koja ne predstavlja nikakvu prijetnju okolišu.

Uspješno testiranje gorivnih ćelija ovog tipa na svemirskim letjelicama nedavno je izazvalo veliko interesovanje proizvođača elektronike i različite opreme. Tako je kompanija PolyFuel predstavila minijaturnu vodoničnu gorivu ćeliju za prijenosna računala. Ali previsoka cijena takvog uređaja i poteškoće u nesmetanom sipanju goriva ograničavaju njegovu industrijsku proizvodnju i široku distribuciju. Honda takođe proizvodi gorivne ćelije za automobile više od 10 godina. Međutim, ova vrsta prevoza ne ide u prodaju, već samo za službenu upotrebu zaposlenih u kompaniji. Automobili su pod nadzorom inženjera.

Mnogi se pitaju da li je moguće sastaviti gorivnu ćeliju vlastitim rukama. Uostalom, značajna prednost domaćeg uređaja bit će manja investicija, za razliku od industrijskog modela. Za minijaturni model trebat će vam 30 cm niklovane žice obložene platinom, mali komad plastike ili drveta, držač za bateriju od 9 volti i sama baterija, prozirna ljepljiva traka, čaša vode i voltmetar. Takav uređaj će vam omogućiti da vidite i shvatite suštinu posla, ali, naravno, neće biti moguće proizvesti električnu energiju za automobil.

fb.ru

Vodikove gorive ćelije: malo istorije | Vodonik

Danas je posebno akutan problem nestašice tradicionalnih energetskih resursa i pogoršanja ekologije planete u cjelini zbog njihovog korištenja. Zbog toga su u posljednje vrijeme značajna finansijska i intelektualna sredstva utrošena na razvoj potencijalno perspektivnih supstituta za ugljikovodična goriva. Vodik bi mogao postati takva zamjena u vrlo bliskoj budućnosti, budući da je njegova upotreba u elektranama praćena oslobađanjem velike količine energije, a ispušni plin je vodena para, odnosno ne predstavlja opasnost za okoliš.

Unatoč nekim tehničkim poteškoćama koje još uvijek postoje u implementaciji gorivnih ćelija na bazi vodika, mnogi proizvođači automobila su cijenili obećanje ove tehnologije i već aktivno razvijaju prototipove serijskih automobila koji mogu koristiti vodonik kao glavno gorivo. Daimler AG je davne dve hiljade jedanaeste predstavio konceptualne Mercedes-Benz modele sa hidrogenskim elektranama. Osim toga, korejska kompanija Hyndayi službeno je objavila da više ne namjerava razvijati električne automobile, već će sve svoje napore koncentrirati na razvoj pristupačnog automobila na vodik.

Unatoč činjenici da sama ideja korištenja vodika kao goriva mnogima nije divlja, većina nema pojma kako funkcioniraju gorivne ćelije koje koriste vodonik i što je tako izvanredno u njima.

Da bismo shvatili važnost tehnologije, predlažemo da pogledamo istoriju vodoničnih gorivnih ćelija.

Prva osoba koja je opisala potencijal korištenja vodonika u gorivim ćelijama bio je Nijemac Kristijan Fridrih. Davne 1838. godine objavio je svoj rad u poznatom naučnom časopisu tog vremena.

Već sljedeće godine, prototip operativne vodonične baterije napravio je sudija iz Uhlsa, Sir William Robert Grove. Međutim, snaga uređaja bila je premala čak i za tadašnje standarde, pa njegova praktična upotreba nije dolazila u obzir.

Što se tiče termina "goriva ćelija", on svoje postojanje duguje naučnicima Ludwigu Mondu i Charlesu Langeru, koji su 1889. pokušali da stvore gorivu ćeliju koja radi na vazduhu i gasu iz koksne peći. Prema drugim izvorima, termin je prvi upotrijebio William White Jaques, koji je prvi odlučio da koristi fosfornu kiselinu u elektrolitu.

Dvadesetih godina 20. stoljeća u Njemačkoj su provedena brojna istraživanja koja su rezultirala otkrićem gorivih ćelija čvrstog oksida i načina korištenja karbonatnog ciklusa. Važno je napomenuti da se ove tehnologije efikasno koriste u našem vremenu.

Godine 1932., inženjer Francis T Bacon započeo je rad na direktnom istraživanju gorivnih ćelija na bazi vodika. Prije njega, naučnici su koristili utvrđenu shemu - porozne platinske elektrode stavljane su u sumpornu kiselinu. Očigledan nedostatak takve sheme leži, prije svega, u njenoj neopravdanoj visokoj cijeni zbog upotrebe platine. Osim toga, upotreba kaustične sumporne kiseline predstavljala je prijetnju zdravlju, a ponekad čak i životu istraživača. Bacon je odlučio optimizirati strujno kolo i zamijenio platinu niklom, a kao elektrolit je koristio alkalni sastav.

Zahvaljujući produktivnom radu na poboljšanju svoje tehnologije, Bacon je već 1959. godine predstavio široj javnosti svoju originalnu vodoničnu gorivu ćeliju, koja je proizvodila 5 kW i mogla je pokretati aparat za zavarivanje. Predstavljeni uređaj nazvao je “Bacon Cell”.

U oktobru iste godine stvoren je jedinstveni traktor koji je radio na vodik i proizvodio dvadeset konjskih snaga.

Šezdesetih godina dvadesetog stoljeća, američka kompanija General Electric razvila je shemu koju je razvio Bacon i primijenila je na svemirske programe Apollo i NASA Gemini. Stručnjaci iz NASA-e došli su do zaključka da je korištenje nuklearnog reaktora preskupo, tehnički teško i nesigurno. Osim toga, morali smo odustati od korištenja baterija zajedno sa solarnim panelima zbog njihovih velikih dimenzija. Rješenje problema bile su vodonične gorivne ćelije, koje su sposobne da opskrbe svemirsku letjelicu energijom, a posadu čistom vodom.

Prvi autobus koji koristi vodonik kao gorivo napravljen je davne 1993. godine. A prototipovi putničkih automobila pokretanih vodoničnim gorivnim ćelijama predstavljeni su već 1997. od strane svjetskih automobilskih marki kao što su Toyota i Daimler Benz.

Malo je čudno da obećavajuće ekološki prihvatljivo gorivo, prodato prije petnaest godina u automobilu, još nije postalo široko rasprostranjeno. Razloga za to ima mnogo, a glavni su, možda, politički i zahtjevi za stvaranjem odgovarajuće infrastrukture. Nadajmo se da će vodonik ipak reći svoje i postati značajna konkurencija električnim automobilima.(odnaknopka)

energycraft.org

Napravljeno 14.07.2012 20:44 Autor: Alexey Norkin

Naše materijalno društvo bez energije ne može ne samo da se razvija, već uopšte postoji. Odakle dolazi energija? Ljudi su donedavno koristili samo jedan način da ga dobiju, borili smo se sa prirodom, spalivši dobijene trofeje u pećima prvo kućnih ognjišta, zatim parnih lokomotiva i moćnih termoelektrana.

Ne postoje oznake o kilovat-satima koje troši moderni prosječan čovjek koji bi ukazivali na to koliko je godina priroda radila da bi civilizirani čovjek mogao uživati ​​u blagodatima tehnologije i koliko godina još mora raditi da izgladi štetu nanesenu nju takva civilizacija. Međutim, u društvu raste razumijevanje da će prije ili kasnije iluzorna idila prestati. Ljudi sve više izmišljaju načine da osiguraju energiju za svoje potrebe uz minimalnu štetu za prirodu.

Vodikove gorive ćelije su sveti gral čiste energije. Oni prerađuju vodonik, jedan od uobičajenih elemenata periodnog sistema, i oslobađaju samo vodu, najčešću supstancu na planeti. Ružičastu sliku kvari nedostatak pristupa vodoniku kao tvari. Ima ga dosta, ali samo u vezanom stanju, a vaditi ga je mnogo teže od crpljenja nafte iz dubina ili iskopavanja uglja.

Jedna od opcija za čistu i ekološki prihvatljivu proizvodnju vodonika su mikrobne gorivne ćelije (MTB), koje koriste mikroorganizme za razlaganje vode na kisik i vodonik. Ni ovdje nije sve glatko. Mikrobi rade odličan posao u proizvodnji čistog goriva, ali da bi se postigla efikasnost potrebna u praksi, MTB-u je potreban katalizator koji ubrzava jednu od hemijskih reakcija procesa.

Ovaj katalizator je plemeniti metal platina, čija cijena čini upotrebu MTB-a ekonomski neopravdanom i praktično nemogućom.

Naučnici sa Univerziteta Wisconsin-Milwaukee pronašli su zamjenu za skupi katalizator. Umjesto platine, predložili su korištenje jeftinih nanošipki napravljenih od kombinacije ugljika, dušika i željeza. Novi katalizator se sastoji od grafitnih šipki s dušikom ugrađenim u površinski sloj i jezgri od željeznog karbida. Tokom tri mjeseca testiranja novog proizvoda, katalizator je pokazao veće sposobnosti od platine. Pokazalo se da je rad nanošipova stabilniji i podložniji kontroli.

I što je najvažnije, zamisao univerzitetskih naučnika je mnogo jeftinija. Dakle, cijena platinastih katalizatora je otprilike 60% cijene MTB-a, dok je cijena nanošipki unutar 5% njihove trenutne cijene.

Prema tvorcu katalitičkih nanošipki, profesoru Junhong Chenu: „Gorivne ćelije su sposobne direktno pretvoriti gorivo u električnu energiju. Zajedno, električna energija iz obnovljivih izvora može se isporučiti tamo gdje je potrebna na čist, efikasan i održiv način.”

Profesor Chen i njegov tim istraživača sada proučavaju tačne karakteristike katalizatora. Njihov cilj je da svom izumu daju praktičan fokus, da ga učine pogodnim za masovnu proizvodnju i upotrebu.

Zasnovan na materijalima iz Gizmaga

www.facepla.net

Vodikove gorive ćelije i energetski sistemi

Automobil na vodeni pogon uskoro bi mogao postati stvarnost, a vodonične gorivne ćelije bit će instalirane u mnogim domovima...

Tehnologija vodoničnih gorivnih ćelija nije nova. Počelo je 1776. godine, kada je Henry Cavendish prvi otkrio vodonik dok je rastvarao metale u razrijeđenim kiselinama. Prvu vodoničnu gorivu ćeliju izumio je već 1839. William Grove. Od tada su vodonične gorivne ćelije postupno unapređivane i sada se ugrađuju u svemirske šatlove, opskrbljuju ih energijom i služe kao izvor vode. Danas je tehnologija vodoničnih gorivnih ćelija na rubu dostizanja masovnog tržišta, u automobilima, kućama i prijenosnim uređajima.

U vodoničnim gorivnim ćelijama, hemijska energija (u obliku vodonika i kiseonika) se direktno (bez sagorevanja) pretvara u električnu energiju. Gorivna ćelija se sastoji od katode, elektroda i anode. Vodik se dovodi do anode, gdje se razdvaja na protone i elektrone. Protoni i elektroni imaju različite puteve do katode. Protoni se kreću kroz elektrodu do katode, a elektroni prolaze oko gorivih ćelija da bi došli do katode. Ovo kretanje stvara naknadno upotrebljivu električnu energiju. S druge strane, vodikovi protoni i elektroni se spajaju s kisikom i formiraju vodu.

Elektrolizatori su jedan od načina za izdvajanje vodonika iz vode. Proces je u osnovi suprotan onome što se dešava sa vodoničnim gorivnim ćelijama. Elektrolizator se sastoji od anode, elektrohemijske ćelije i katode. Voda i napon se primjenjuju na anodu, koja dijeli vodu na vodonik i kisik. Vodik prolazi kroz elektrohemijsku ćeliju do katode, a kiseonik se dovodi direktno do katode. Odatle se vodonik i kiseonik mogu ekstrahovati i skladištiti. U vremenima kada nije potrebna proizvodnja električne energije, akumulirani gas se može ukloniti iz skladišta i proći nazad kroz gorivu ćeliju.

Ovaj sistem koristi vodonik kao gorivo, zbog čega vjerovatno postoje mnogi mitovi o njegovoj sigurnosti. Nakon eksplozije Hindenburga, mnogi ljudi daleko od nauke, pa čak i neki naučnici počeli su vjerovati da je upotreba vodonika vrlo opasna. Međutim, nedavna istraživanja su pokazala da je uzrok ove tragedije bio vezan za vrstu materijala koji je korišten u izgradnji, a ne za vodonik koji je upumpavan unutra. Nakon testiranja sigurnosti skladištenja vodonika, ustanovljeno je da je skladištenje vodonika u gorivim ćelijama sigurnije od skladištenja benzina u rezervoaru za gorivo automobila.

Koliko koštaju moderne vodonične gorivne ćelije? Kompanije trenutno nude vodonične sisteme za gorivo koji proizvode energiju za oko 3.000 dolara po kilovatu. Marketing istraživanje je pokazalo da kada cijena padne na 1.500 dolara po kilovatu, potrošači na masovnom tržištu energije će biti spremni da pređu na ovu vrstu goriva.

Vozila sa vodoničnim gorivnim ćelijama su i dalje skuplja od vozila sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, ali proizvođači istražuju načine da dovedu cenu na uporedive nivoe. U nekim udaljenim područjima gdje nema dalekovoda, korištenje vodonika kao goriva ili samostalno napajanje kuće može biti ekonomičnije u ovom trenutku nego, na primjer, izgradnja infrastrukture za tradicionalne izvore energije.

Zašto vodonične gorivne ćelije još uvijek nisu u širokoj upotrebi? Njihova visoka cijena trenutno je glavni problem za širenje vodoničnih gorivnih ćelija. Sistemi za gorivo na vodik trenutno jednostavno nemaju masovnu potražnju. Međutim, nauka ne miruje i u bliskoj budućnosti automobil koji vozi po vodi može postati prava stvarnost.

www.tesla-tehnika.biz

Priča

Prvi element je napravljen, čini se, od olovke ruske (ovo je važno) jednostavne olovke, a tijelo je bilo pivski čep. Sve se to grijalo na kuhinjskoj peći. Elektrolit je bio prah za čišćenje cijevi Digger, koji je prema etiketi NaOH. Pošto sam uspeo da dobijem malo struje, pomislio sam da bi možda takav element zaista mogao da funkcioniše. Limenke su počele da cure po šavovima (lem je nagrizao alkaliju), a ne sjećam se ni kakvi su bili rezultati. Za ozbiljnije iskustvo, kupio sam juggernaut od nehrđajućeg čelika. Međutim, s njom ništa nije uspjelo. Ne samo da je napon bio samo 0,5 volti, već je bio i usmjeren u pogrešnom smjeru. Ispostavilo se i da se ugalj od olovaka zaista voli raspadati na sastavne dijelove. Očigledno, nisu napravljeni od čvrstog kristala grafita, već su zalijepljeni od prašine. Ista sudbina zadesila je štapove iz AA baterija. Kupili smo i četke od nekih elektromotora, ali su mjesta gdje dovodna žica ulazi u četkicu brzo postala neupotrebljiva. Osim toga, pokazalo se da jedan par četkica sadrži bakar ili neki drugi metal (to se događa kod četkica).

Čvrsto se počešavši po glavi, odlučio sam da bi zbog pouzdanosti bilo bolje napraviti posudu od srebra, a uglja tehnologijom koju je opisao Jaco, odnosno sinterovanjem. Srebro košta umjereno (cijene variraju, ali negdje oko 10-20 rubalja po gramu). Sreo sam čaj koji košta mnogo više.

Poznato je da je srebro stabilno u topljenju NaOH, dok željezo daje ferate, na primjer, Na2FeO4. Budući da željezo općenito ima promjenjivu valenciju, njegovi ioni mogu uzrokovati "kratki spoj" u elementu, barem u teoriji. Stoga sam odlučio prvo provjeriti kućište srebra, jer je jednostavnije. Prvo je kupljena posrebrena kašika od bakronikla, a prilikom testiranja četkama, odmah se pokazalo da je 0,9V otvorenog kruga sa potrebnim polaritetom, kao i prilično velika struja. Naknadno se (ne praktično, već teoretski) pokazalo da se srebro može rastvoriti i u lužini u prisustvu natrijum peroksida Na2O2, koji nastaje u određenim količinama kada se prodire vazduh. Da li se to dešava u elementu ili je pod zaštitom ugljika srebro sigurno, ne znam.

Kašika nije dugo poživjela. Srebrni sloj je nabubrio i prestao je da radi. Kupronikl je nestabilan u alkalijama (kao i većina postojećih materijala u svijetu). Nakon toga sam napravio posebnu čašu od srebrnog novčića, koja je proizvela rekordnu snagu od 0,176 vati.

Sve se to radilo u običnom gradskom stanu, u kuhinji. Nikada se nisam ozbiljno opekao, nisam zapalio vatru i samo jednom sam prolio rastopljeni lug po peći (caklina je odmah nagrizla). Korišten je najjednostavniji alat. Ako možete saznati ispravnu vrstu željeza i ispravan sastav elektrolita, onda svaki ne baš bezruki čovjek može napraviti takav element na svom koljenu.

Godine 2008. identifikovano je nekoliko „ispravnih vrsta gvožđa“. Na primjer, nehrđajući čelik za hranu, limenke, električni čelici za magnetna kola, kao i niskougljični čelici - st1ps, st2ps. Što je manje ugljenika, to su bolje performanse. Čini se da nehrđajući čelik djeluje lošije od čistog željeza (usput, mnogo je skuplji). „Norveško limeno“ gvožđe, poznato i kao švedsko, je gvožđe koje je napravljeno korišćenjem drvenog uglja u Švedskoj pomoću drvenog uglja i nije sadržalo više od 0,04% ugljenika. Trenutno se tako nizak sadržaj ugljika može naći samo u električnim čelicima. Vjerojatno je čaše najbolje napraviti štancanjem od elektročeličnog lima

Pravljenje srebrne čaše

2008. godine ispostavilo se da i gvozdena šolja dobro radi, pa uklanjam sve što se dotiče srebrne čaše. Bilo je zanimljivo, ali sada više nije relevantno.

Možete pokušati koristiti grafit. Ali nisam imao vremena. Tražio sam od vozača preklop za sirene trolejbusa, ali to je već bilo na kraju mog eksperimentalnog epa. Možete isprobati i četke od motora, ali često su napravljene od bakra, što narušava čistoću eksperimenta. Imao sam dvije opcije za kistove, jedna je bila od bakra. Olovke ne daju nikakve rezultate jer imaju malu površinu i iz njih je nezgodno crpiti struju. Akumulatorske šipke se raspadaju u lužini
(nešto se dešava sa registratorom). Uopšteno govoreći, grafit je najgore gorivo za element jer... hemijski je najotporniji. Stoga elektrodu pravimo "pošteno". Uzimamo drveni ugalj (kupio sam brezov ugalj za roštilj u supermarketu), samljemo ga što je moguće sitnije (prvo sam ga samljela u porculanskom malteru, a zatim kupila mlin za kafu). U industriji se elektrode izrađuju od nekoliko frakcija uglja, miješajući ih jedna s drugom. Ništa vas ne sprečava da učinite isto. Prah se peče kako bi se povećala električna provodljivost: mora se zagrijati nekoliko minuta na najvišu moguću temperaturu (1000 ili više). Naravno, bez pristupa vazduha.

Za to sam napravio kovačnicu od dvije limene limenke ugniježđene jedna u drugu. Između njih se naslanjaju komadi suhe gline radi toplinske izolacije. Dno obe limenke je probušeno tako da ima prostora za duvanje vazduha. Unutrašnja limenka je napunjena ugljem (koji služi kao gorivo), među njima je postavljena metalna kutija - „lonac“, takođe sam ga iz limene kante razvaljao. U kutiju se stavlja ugljeni prah umotan u papirnu vrećicu. Mora postojati razmak između snopa uglja i zidova "lonca". Prekrivena je pijeskom kako bi se spriječilo ulazak zraka. Ugalj se pali, a zatim uduvava kroz rupe na dnu običnim fenom za kosu. Sve ovo predstavlja veliku opasnost od požara - varnice lete. Potrebne su vam zaštitne naočare, a morate se pobrinuti i da u blizini nema zavjesa, buradi s benzinom ili drugih opasnosti od požara. Bilo bi bolje, u dobrom smislu, raditi takve stvari negdje na zelenom travnjaku tokom kišne sezone (u pauzi između kiša). Izvinite, ali sam previše lijen da nacrtam cijelu ovu strukturu. Mislim da možeš pogađati i bez mene.

Zatim se u zagoreni prah na oko dodaje određena količina šećera (vjerovatno od trećine do polovine). Ovo je vezivo. Zatim - malo vode (kada su mi ruke bile prljave i lijene da otvorim česmu, samo sam pljunuo u nju i dodao pivo umjesto vode, ne znam koliko je bitno; sasvim je moguće da je organska materija bitna. Sve se to dobro izmiješa u malteru.Rezultat bi trebala biti plastična masa.Od ove mase treba formirati elektrodu.Što bolje stisnete to bolje.Uzeo sam začepljen komad cijevi i zabio ugalj u cijev sa manja cijev, čekićem.Da se proizvod ne raspada kada se izvadi iz tube prije punjenja u cijev je ubačeno nekoliko papirnatih rubova.Čep treba da se skida,a još bolje ako se cijev pili po dužini i spojen stezaljkama.Tada nakon pritiska, možete jednostavno odvojiti stezaljke i dobiti ugalj blanko zdrav i zdrav.U slučaju uklonjivog utikača, potrebno je istisnuti gotov radni komad iz
cijevi (u tom slučaju mogu se raspasti). Moj ugalj je imao prečnik 1,2-1,5 cm i dužinu 4-5 cm.

Gotov oblik se suši. Da bih to učinio, upalio sam plinski štednjak na vrlo tihu vatru, stavio praznu limenku naopako na nju i stavio ugalj na dno. Sušenje treba da bude dovoljno sporo da vodena para ne pocepa radni predmet. Nakon što sva voda ispari, šećer će početi da "kipi". Pretvoriće se u karamel i slepiti komadiće uglja.

Nakon hlađenja, potrebno je izbušiti uzdužnu (duž njegove ose simetrije) okruglu rupu u uglju u koju će se umetnuti elektroda za pražnjenje. Prečnik rupe - ne sjećam se, mislim da je bio 4 mm. Ovim postupkom je možda sve već pokriveno, jer je struktura krhka. Prvo sam izbušio bušilicom od 2 mm, pa pažljivo (ručno) proširio svrdlom od 3 mm i 4 mm, ili čak turpijom, ne sjećam se tačno. U principu, ova rupa se može napraviti već u fazi oblikovanja. ali ovo -
nijanse.

Nakon što je sve osušeno i izbušeno, potrebno je zapaliti. Opća ideja je da s prilično glatkim povećanjem temperature, ugalj morate podvrgnuti jakom i ravnomjernom zagrijavanju bez pristupa zraka neko vrijeme (oko 20 minuta). Morate ga postepeno zagrijavati i također hladiti. Temperatura - što viša to bolje. Po mogućnosti više od 1000. Imao sam
narandžasto (bliže bijelom) zagrijavanje željeza u improviziranoj kovačnici. Industrijske elektrode se pale mnogo dana, uz vrlo nesmetan dovod i odvođenje toplote. Na kraju krajeva, ovo je u suštini keramika, koja je krhka. Ne mogu garantovati da ugalj neće pucati. Sve sam radio na oko. Neki ugljevi su popucali odmah nakon upotrebe.

Dakle, ugalj je spreman. Trebalo bi da ima što manji otpor. Prilikom mjerenja otpora ne smijete dodirivati ​​ugalj iglama testera, već uzeti dvije upletene žice, nasloniti ih na stranice uglja (ne na krajeve šipke, već jednostavno po prečniku) i čvrsto pritisnuti sa prstima (samo da ne popucaju), pogledajte sliku, na slici je ružičasta amorfna masa prsti koji stežu žice žice.

Ako je otpor 0,3-0,4 oma (ovo je bilo na ivici osjetljivosti mog testera), onda je ovo dobar ugalj. Ako je više od 2-3 oma, onda je loše (gustina snage će biti mala). Ako ugalj nije uspješan, možete ponoviti pečenje.

Nakon pečenja izrađujemo elektrodu za pražnjenje. Ovo je traka od srebra ili gvožđe - 2008 dužina jednaka dvostruko ili nešto manja od dužine uglja,
širina - dva prečnika rupe. Debljina - recimo 0,5 mm. Od nje treba namotati cilindar čiji je vanjski prečnik jednak
prečnik rupe. Ali cilindar neće raditi, jer je širina premala; ispostavit će se da je cilindar s uzdužnim prorezom. Ovaj utor je važan za kompenzaciju toplinskog širenja. Ako napravite pun cilindar, srebro će rasprsnuti ugalj kada se zagrije.
Ubacimo "cilindar" u ugalj. Morate se pobrinuti da se čvrsto uklapa u rupu. Ovo ima dvije strane: previše sile će razbiti ugalj; premalo sile neće ostvariti dovoljan kontakt (ovo je vrlo važno). Vidi sliku.

Ovaj dizajn nije rođen odmah, čini mi se savršenijim od onih stezaljki koje su uvučene u Jacoov patent. Prvo, s takvim kontaktom struja teče ne duž, već duž polumjera cilindričnog uglja, što može značajno smanjiti električne gubitke. Drugo, metali imaju veći koeficijent toplinskog širenja od uglja, tako da kontakt uglja sa metalnom stegom slabi kada se zagrije. U mom slučaju, kontakt jača ili održava svoju snagu. Treće, ako elektroda za pražnjenje nije napravljena od srebra, tada je ugljik štiti od oksidacije. Požurite i dajte mi patent!

Sada možete ponovo izmjeriti otpor; jedan od polova će biti elektroda koja nosi struju. Inače, moj tester ima 0,3 oma - to je već granica osjetljivosti, pa je bolje proći struju poznatog napona i izmjeriti njegovu snagu.

Dovod zraka

Uzimamo čeličnu šipku od hemijske olovke velikog kapaciteta. Po mogućnosti prazan. Uklonimo blok s loptom iz njega - ono što ostaje je samo željezna cijev. Pažljivo uklanjamo preostalu pastu (ja to nisam dobro uradio i pasta se kasnije ugljenisala, što je otežavalo život). Prvo se to radi s vodom, a zatim je bolje zapaliti štap nekoliko puta u plamenu plamenika. Tinta će pirolizirati, ostavljajući iza sebe ugljik koji se može izvaditi.

Zatim pronalazimo neku drugu cijev za spajanje ovog štapa (bit će vruće) sa PVC cijevi koja vodi od akvarijskog kompresora, koja služi za kondicioniranje riba. Sve bi trebalo biti prilično čvrsto. Na PVC cijev stavljamo podesivu stezaljku, jer i najslabiji kompresor proizvodi previše zraka. U idealnom slučaju, trebate napraviti srebrnu, a ne čeličnu cijev, i ja sam čak uspio, ali nisam mogao osigurati čvrstu vezu između srebrne cijevi i PVC linije. Međucijevi su jako zatrovale zrak (zbog istih termičkih razmaka), pa sam se na kraju odlučio na čeličnu šipku. Naravno, ovaj problem je rješiv, ali samo ste morali uložiti vrijeme i trud na njega i odabrati odgovarajući uređaj za tu situaciju. Općenito, u ovom dijelu sam jako odstupio od Jacoovog patenta. Nisam mogao napraviti ružu poput one koju je on naslikao (i da budem iskren, nisam dovoljno dobro pogledao njen dizajn u to vrijeme).

Ovdje vrijedi napraviti kratku digresiju i razgovarati o tome kako je Jaco pogrešno shvatio rad svog elementa. Očigledno, kisik prelazi u jonski oblik negdje na katodi, prema formuli O2 + 4e- = 2O2-, ili nekoj sličnoj reakciji gdje se kisik redukuje i spaja s nečim. Odnosno, važno je osigurati trostruki kontakt zraka, elektrolita i katode. To se može dogoditi kada mjehurići zraka dođu u kontakt s metalom atomizera i elektrolitom. Odnosno, što je veći ukupan obim svih rupa atomizera, struja bi trebala biti veća. Takođe, ako napravite šolju sa nagnutim ivicama, trostruka kontaktna površina se takođe može povećati, vidi sl.

Druga opcija je kada se otopljeni kisik reducira na katodi. U ovom slučaju, površina trostrukog kontakta nije posebno važna, ali samo trebate maksimalno povećati površinu mjehurića kako biste ubrzali otapanje kisika. Istina, u ovom slučaju nije jasno zašto otopljeni kisik ne oksidira ugalj direktno, bez elektrohemijske reakcije (radni „zaobilazi“ električni krug). Očigledno, u ovom slučaju, katalitička svojstva materijala čaše su važna. Ok, to su svi tekstovi. U svakom slučaju, tok morate podijeliti na male mjehuriće. Pokušaji koje sam činio da to učinim nisu bili naročito uspješni.

Da biste to učinili, bilo je potrebno napraviti tanke rupe, što je uzrokovalo mnogo problema.

Prvo, tanke rupe se brzo začepe, jer... gvožđe korodira, ostaci rđe i uglja (sjetite se da je tamo nekada bila pasta za olovke) ispadaju iz šipke i začepljuju rupe.
Drugo, rupe su nejednake veličine i teško je navesti zrak da struji istovremeno iz svih rupa.
Treće, ako se dvije rupe nalaze u blizini, onda postoji loša tendencija da se mehurići spoje prije nego što se odlome.
Četvrto, kompresor neravnomjerno dovodi zrak i to također na neki način utiče na veličinu mjehurića (navodno, jedan mjehur iskoči jednim pritiskom). Sve se to lako može uočiti sipanjem vode u prozirnu teglu i testiranjem raspršivača u njoj. Naravno, lužina ima drugačiji viskozitet i koeficijent površinske napetosti, tako da morate djelovati nasumično. Nikada nisam uspeo da prevaziđem ove probleme, a povrh toga i problem curenja vazduha zbog termičkih praznina. Zbog ovih curenja prskalica nije mogla početi s radom, jer je za to potrebno savladavanje sila površinskog napona. Ovdje su nedostaci stezaljki postali potpuno očigledni. Bez obzira na to kako ih zategnete, i dalje popuštaju kada se zagreju. Kao rezultat toga, prešao sam na običnu atomizeru hemijske olovke, koja je davala samo jedan mlaz mjehurića. Očigledno, da biste to učinili na normalan način, morate se pažljivo riješiti curenja, dovod zraka pod značajnim pritiskom (više od onog koji stvara akvarijski kompresor) i kroz male rupe.

Ovaj dio dizajna je iskreno loše razrađen...

Skupština

Sve. Hajde da sve to spojimo. Morate sve ugraditi na stezaljke tako da
1. Nije bilo kratkog spoja kroz noseću konstrukciju.
2. Ugalj nije dodirivao cijev koja puše zrak ili zidove
cup. To će biti teško, budući da su praznine male, stezaljke su slabe, a lužina će grkljati kada element radi. Delovaće i Arhimedova sila, koja će sve pomeriti tamo gde nije potrebno, i sila površinskog napona, privlačeći ugalj na druge objekte. Srebro će postati mekano kada se zagrije. Stoga sam na kraju ugalj držao kliještima za kraj elektrode za pražnjenje. Bilo je loše. Za normalan rad još uvijek trebate napraviti poklopac (navodno, samo od porculana - glina se natapa alkalijom i gubi snagu, možda možete koristiti pečenu glinu). Ideja kako napraviti ovaj poklopac je u Jacoovom patentu. Najvažnije je da dobro drži ugalj, jer... čak i uz neznatno neusklađenost dodirivat će čašu na dnu. Da biste to učinili, mora imati veliku visinu. Takav porculanski poklopac nisam uspjela pronaći, niti sam uspjela napraviti keramički od gline (sve što sam pokušao napraviti od gline brzo je popucalo, očito sam nekako krivo ispalio). Jedini mali trik je korištenje metalnog poklopca i sloja čak i loše pečene gline kao toplinske izolacije. Ovaj put takođe nije tako lak.

Ukratko, moj dizajn elemenata je također bio bezvrijedan.

Također je dobra ideja pripremiti alat kojim se može dobiti komad uglja koji može pasti s elektrode i pasti u lužinu. Komad uglja može otpasti i pasti u lužinu, tada će doći do kratkog spoja. Kao takav alat imao sam savijenu čeličnu kopču koju sam držao kliještima. Povezujemo žice - jednu na ručku, drugu na izlaznu elektrodu. Možete ga zalemiti, iako sam ja koristio dvije metalne ploče i zašrafio ih vijcima (sve iz dječije metalne konstrukcije). Glavna stvar je razumjeti da cijela konstrukcija radi na niskom naponu i da svi priključci moraju biti dobro napravljeni. Mjerimo otpor u nedostatku elektrolita između elektroda - uvjeravamo se da je visok (najmanje 20 Ohma). Mjerimo otpor svih priključaka i uvjeravamo se da su mali. Sastavljamo krug sa opterećenjem. Na primjer, otpor od 1 Ohm i ampermetar spojeni u seriju. Testeri imaju nizak otpor ampermetra samo u režimu mjernih jedinica ampera; preporučljivo je to saznati unaprijed. Možete ili uključiti način promjene jedinice ampera (struja će biti od 0,001 do 0,4 A), ili umjesto serijski povezanog ampermetra, paralelno uključiti voltmetar (napon će biti od 0,2 do 0,9 V). Poželjno je obezbediti mogućnost promene uslova tokom eksperimenta radi merenja napona otvorenog kola, struje kratkog spoja i struje sa opterećenjem od 1 oma. Bolje je da se i otpor može mijenjati: 0,5 ohm, 1 ohm i 2 oma da se pronađe onaj na kojem će se postići maksimalna snaga.

Uključujemo kompresor iz akvarija i zategnemo stezaljku tako da zrak jedva struji (i, usput rečeno, funkcionalnost dovodnog cjevovoda se mora provjeriti potapanjem u vodu. Budući da je gustina lužine 2,7, mora biti uronjen na odgovarajuću dubinu.Potpuna zategnutost nije potrebna, Glavna stvar je da čak i na takvoj dubini nešto žubori s kraja cijevi.

Mere predostrožnosti

Slijedi rad s rastopljenom alkalijom. Kako da objasnim šta je alkalna talina? Da li vam je sapun upao u oči? To je neprijatno, zar ne? Dakle, otopljeni NaOH je takođe sapun, samo zagrijan na 400 stepeni i stotine puta zajedljiviji.

Strogo su potrebne zaštitne mjere pri radu sa rastopljenim alkalijama!

Kao prvo, Dobre zaštitne naočare su striktno neophodne. Kratkovid sam pa sam nosio dvije naočare - plastične zaštitne naočare na vrhu i staklo ispod. Zaštitne naočare treba da štite od prskanja ne samo sprijeda, već i sa strane. Osjećao sam se sigurno u takvoj municiji. Uprkos zaštitnim naočalama, ne preporučuje se približavanje lica uređaju.

Osim očiju, morate zaštititi i ruke. Sve sam radio vrlo pažljivo, tako da sam se na kraju snašao i radio u majici. Ovo je korisno, jer i najmanja prskanja lužine koja vam ponekad padne na ruke daju opekotinu koja vam ne dozvoljava da nekoliko dana zaboravite s kojom supstancom imate posla.

Ali, naravno, na mojim rukama su bile rukavice. Prvo, gumene kućne (ne one najtanje), a povrh njih - bubuljicaste krpene bubuljice koje vire sa stražnje strane dlana. Navlažio sam ih vodom da bih mogao da rukujem vrućim predmetima. S takvim parom rukavica vaše ruke su manje-više zaštićene. Ali morate se pobrinuti da vanjske rukavice nikada nisu previše mokre. Kap vode koja padne u elektrolit momentalno proključa, a elektrolit vrlo dobro prska. Ako se to desi (a meni se to desilo tri puta), nastaju problemi sa respiratornim sistemom. U tim sam slučajevima odmah zadržao dah bez dovršetka inhalacije (vježbanje kajaka pomaže da se ne paniči u takvim situacijama), i što je prije moguće izašao iz kuhinje.

Generalno, da bi se zaštitio respiratorni sistem, potrebna je dobra ventilacija tokom eksperimenta. U mom slučaju to je bila samo propuh (bilo je to ljeto). Ali u idealnom slučaju to bi trebao biti napa ili na otvorenom.

Budući da su prskanje lužine neizbježne, sve u neposrednoj blizini čaše je prekriveno nekim stepenom lužine. Ako njime rukujete golim rukama, možete se opeći. Nakon završetka eksperimenta potrebno je oprati sve, uključujući i rukavice.

U slučaju opekotina, uvijek sam u blizini imao posudu s vodom i posudu s razrijeđenim sirćetom za neutralizaciju lužine u slučaju teške opekotine. Srećom, sirće mi nikada nije dobro došlo, a ne mogu reći da li ga uopće vrijedi koristiti. U slučaju opekotina, alkaliju odmah isperite sa dosta vode. Postoji i narodni lijek za opekotine - urin. Čini se da i to pomaže.

Zapravo rad sa elementom

Sipajte suhi NaOH u čašu (kupio sam Digger za čišćenje cijevi). Možete dodati MgO i druge sastojke, kao što je CaCO3 (prašak za zube ili kreda) ili MgCO3 (imao sam MgO od prijatelja). Upalite gorionik i zagrijte ga. Budući da je NaOH izuzetno higroskopan, to se mora učiniti odmah (a vreća sa NaOH mora biti dobro zatvorena). Bilo bi dobro osigurati da staklo bude okruženo toplinom sa svih strana - struja JAKO ovisi o temperaturi. Odnosno, napravite improvizovanu komoru za sagorevanje i usmerite plamen gorionika u nju (takođe morate paziti da uložak na gorioniku ne eksplodira, po mom mišljenju ovi gorionici su prilično loše napravljeni sa ove tačke gledišta, kao što sam već napisao, za to trebate da vrući plinovi ne padnu na kanister, i bilo je bolje držati ga u normalnom položaju, a ne "naopako").
Ponekad se ispostavi da je zgodno dovesti plamen plamenika odozgo, ali to je nakon što se sve otopi. Zatim se istovremeno zagrijavaju cijev za pražnjenje, elektroda za pražnjenje (i ugljik kroz nju) i vrh stakla, gdje ima najviše mjehurića zraka. Ako me sjećanje ne vara, na ovaj način je postignut najveći rezultat.

Nakon nekog vremena, lužina će se početi topiti i njen volumen će se smanjiti. Puder treba dodati tako da čaša bude 2/3 puna visine (alkalija će otici zbog kapilarnosti i prskanja). Cijev za dovod zraka mi nije dobro radila (zbog termičkog širenja povećat će se praznine i curenja, a zbog dobrog odvođenja topline, alkalija u njoj može se stvrdnuti). Ponekad je vazduh potpuno prestao da struji. Da popravim ovo uradio sam sljedeće:
1. Duvanje (privremeno lagano povećanje dovoda zraka)
2. Ustani. (pritisak će biti manji i vazduh će istisnuti stub alkalija iz
cijevi)
3. Zagrijavanje (izvadite ga iz šolje i zagrijte gorionikom da se alkalija u raspršivaču otopi).

Općenito, element počinje dobro raditi na vrućoj temperaturi (alkalija počinje svijetliti). U isto vrijeme počinje teći pjena (ovo je CO2), a čuju se pucketanje s bljeskovima (ili je ovo vodonik, ili CO izgara, još uvijek ne razumijem).
Uspio sam postići maksimalnu snagu od 0,025 W/cm2 ili ukupno 0,176 W po elementu, uz otpor opterećenja od 1,1 Ohma. Istovremeno sam mjerio struju ampermetrom. Također je bilo moguće izmjeriti pad napona na opterećenju.

Degeneracija elektrolita

U elementu se javlja loša nuspojava

NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.

Odnosno, nakon nekog vremena (desetine minuta) sve će se stvrdnuti (tačka topljenja sode - ne sjećam se, ali oko 800). Neko vrijeme to se može prevazići dodavanjem više alkalija, ali na kraju nije važno - elektrolit će se stvrdnuti. O tome kako se boriti sa ovim, pogledajte druge stranice na ovom sajtu, počevši od stranice o UTE.Uopšteno govoreći, možete koristiti NaOH, uprkos ovom problemu, o čemu je Jaco pisao u svom patentu. Zato što postoje načini za proizvodnju NaOH iz Na2CO3. Na primjer, istiskivanje živim vapnom prema reakciji Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3, nakon čega se CaCO3 može kalcinirati i ponovno će se dobiti CaO. Istina, ova metoda je energetski vrlo intenzivna i ukupna efikasnost elementa će jako pasti, a složenost će se povećati. Stoga mislim da još uvijek treba tražiti stabilan sastav elektrolita, koji je pronađen u SARA-i. Sasvim je moguće da se to može učiniti pronalaženjem SARA patentnih prijava u bazi podataka američkog Ureda za patente (http://www.uspto.gov), pogotovo jer su vremenom mogle postati već izdati patenti. Ali još nisam stigao do toga. Zapravo, sama ova ideja se pojavila tek tokom pripreme ovih materijala. Očigledno ću to učiniti uskoro.

Rezultati, razmišljanja i zaključci

Ovdje se mogu malo ponoviti. Možete početi ne sa srebrom, već odmah sa željezom. Kada sam pokušao da koristim varalicu
od nerđajućeg čelika, meni je ispao loše. Sada razumijem da je prvi razlog za to niska temperatura i veliki razmak između elektroda. Jacques u svom članku piše da je loš učinak s željezom posljedica činjenice da ulje sagorijeva do željeza i formira se druga ugljična elektroda, tako da morate vrlo pažljivo očistiti željezo od najmanjih tragova ulja, a također koristiti željezo
niske količine ugljenika. Možda i jeste, ali ipak mislim da postoji još jedan, važniji razlog. Gvožđe je element promenljive valencije. Rastvara se i stvara "kratki spoj". Tome u prilog ide i promjena boje. Kada se koristi srebro, boja elektrolita se ne mijenja (srebro je najotporniji metal na djelovanje rastopljenih lužina). At
Kada koristite željezo, elektrolit postaje smeđi. Kada se koristi srebro, napon otvorenog kruga dostiže 0,9 V ili više. Kod upotrebe gvožđa je znatno manje (ne sećam se tačno, ali ne više od 0,6V) A kakvo gvožđe treba koristiti da bi sve dobro funkcionisalo pogledajte na drugim stranicama. Još malo o vodenoj pari o kojoj piše SARA. S jedne strane, dobro je za sve (teoretski): sprečava da gvožđe pređe u rastvor (poznata je reakcija raspadanja ferata alkalnih metala sa toplom vodom, nešto poput Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) i čini se da se pomera ravnoteža u lošoj sporednoj reakciji. Potražio sam termodinamiku reakcije NaOH+CO2=Na2CO3+H2O koristeći onlajn program F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php) Na svim temperaturama, ravnoteža u njemu je vrlo snažno pomaknuta udesno, tj. malo je vjerovatno da će voda značajno istisnuti ugljični dioksid iz svog spoja s natrijum oksidom. Moguće je da se situacija promijeni u leguri NaOH-Na2CO3, ili da nastane neka vrsta vodenog rastvora, ali ne znam kako da saznam. Mislim da je u ovom slučaju praksa kriterijum istine.

Glavna stvar na koju možete naići kada provodite eksperimente s parom je kondenzacija. Ako negdje na putu od mjesta gdje voda ulazi u vazdušni vod, temperatura bilo kog zida padne ispod 100C, voda se može kondenzovati i onda, sa strujom vazduha, ući u lužinu u obliku kapljice. Ovo je vrlo opasno i treba ga izbjegavati po svaku cijenu. Ono što je posebno opasno je to što temperaturu zidova nije tako lako izmjeriti. Ja lično nisam pokušao ništa da radim sa parom.

Općenito, naravno, takav posao morate obavljati ne u stanu, već barem u seoskoj kući, i odmah napraviti veći element. Da biste to učinili, naravno, trebat će vam veća peć za pečenje, veća "šporet" za zagrijavanje elementa i više početnih materijala. Ali bit će mnogo praktičnije raditi sa svim detaljima. To se posebno odnosi na strukturu samog elementa, koji nisam imao poklopac. Napraviti veliki poklopac je mnogo lakše nego napraviti mali.

O srebru. Srebro, naravno, nije tako jeftino. Ali ako srebrnu elektrodu učinite dovoljno tankom, tada srebrna ćelija može postati isplativa. Na primjer, recimo da smo uspjeli napraviti elektrodu debljine 0,1 mm. S obzirom na plastičnost i savitljivost srebra, to će biti lako (srebro se može provući kroz valjke u vrlo tanku foliju, a ja sam to čak i htio, ali nije bilo valjaka). Sa gustinom od oko 10 g/cm^3, jedan kubni centimetar srebra košta otprilike 150 rubalja. To će dati 100 kvadratnih centimetara površine elektrode. Možete dobiti 200cm^2 ako uzmete dva ravna uglja i stavite srebrnu ploču između njih. Sa specifičnom snagom od 0,025 W/cm^2 koju sam postigao, snaga je 5 vati ili 30 rubalja po vatu, odnosno 30.000 rubalja po kilovatu. Zbog jednostavnosti dizajna, možete očekivati ​​da će preostale komponente kilovatnog elementa (šporet, vazdušna pumpa) biti znatno jeftinije. Tijelo može biti izrađeno od porculana, koji je relativno otporan na alkalnu taljenje. Rezultat neće biti preskup, čak ni u poređenju sa benzinskim elektranama male snage. A solarni paneli s vjetrenjačama i termoelektrični generatori počivaju daleko iza. Da biste dodatno smanjili cijenu, možete pokušati napraviti posudu od posrebrenog bakra. U tom slučaju srebrni sloj će biti 100-1000 puta tanji. Istina, moji eksperimenti sa žličicom od bakronikla završili su neuspješno, pa je nejasno koliko će srebrni premaz biti izdržljiv. Odnosno, čak i upotreba srebra otvara prilično dobre izglede. Jedina stvar koja bi ovdje mogla propasti je ako srebro nije dovoljno jako.

Više o materijalima kućišta. Navodno su natrijum peroksidi, na primjer, Na2O2, koji bi se trebali pojaviti kada se zrak upuhuje u NaOH, od velike važnosti za vrijeme rada elementa. Pri visokim temperaturama peroksid korodira gotovo sve tvari. Provedeni su eksperimenti za mjerenje gubitka težine s loncima od različitih materijala koji sadrže rastopljeni natrijum peroksid. Najotporniji se pokazao cirkonijum, zatim gvožđe, pa nikal, pa porcelan. Srebro nije ušlo u prva četiri. Nažalost, ne sjećam se tačno koliko je srebro stabilno. Tamo je takođe pisalo o dobroj otpornosti Al2O3 i MgO. Ali drugo mjesto, koje zauzima željezo, uliva optimizam.

To je sve, zapravo.

Ekologija znanja. Nauka i tehnologija: Mobilna elektronika se poboljšava svake godine, postaje sve raširenija i pristupačnija: PDA uređaji, laptopovi, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije, itd. Svi se stalno dopunjuju

DIY gorivne ćelije kod kuće

Mobilna elektronika se poboljšava svake godine, postaje sve raširenija i dostupnija: PDA uređaji, laptopi, mobilni i digitalni uređaji, okviri za fotografije, itd. . Tehnologije napajanja, za razliku od poluvodičke tehnologije, ne napreduju skokovima i granicama.

Postojeće baterije i akumulatori za napajanje dostignuća industrije postaju nedovoljni, pa je pitanje alternativnih izvora veoma akutno. Gorivne ćelije su područje koje najviše obećava. Princip njihovog rada otkrio je davne 1839. William Grove, koji je proizveo električnu energiju mijenjajući elektrolizu vode.

Šta su gorive ćelije?

Video: Dokumentarni film, gorivne ćelije za transport: prošlost, sadašnjost, budućnost

Gorivne ćelije interesuju proizvođače automobila, a za njih su zainteresovani i dizajneri svemirskih brodova. Godine 1965. čak ih je Amerika testirala na letjelici Gemini 5 lansiranoj u svemir, a kasnije i na Apollu. Milioni dolara se i danas ulažu u istraživanja gorivih ćelija, kada postoje problemi povezani sa zagađenjem životne sredine i povećanjem emisija gasova staklene bašte nastalih pri sagorevanju fosilnih goriva, čije rezerve takođe nisu beskonačne.

Gorivna ćelija, koja se često naziva i elektrohemijski generator, radi na način opisan u nastavku.

Biti, kao i akumulatori i baterije, galvanski element, ali s tom razlikom što se u njemu odvojeno pohranjuju aktivne tvari. Dovode se do elektroda kako se koriste. Prirodno gorivo ili bilo koja tvar dobivena iz njega gori na negativnoj elektrodi, koja može biti plinovita (na primjer, vodik i ugljični monoksid) ili tečna, poput alkohola. Kiseonik obično reaguje na pozitivnoj elektrodi.

Ali naizgled jednostavan princip rada nije lako pretočiti u stvarnost.

DIY gorivne ćelije

Nažalost, nemamo fotografije kako bi ovaj goriv element trebao izgledati, oslanjamo se na vašu maštu.

Možete napraviti gorivu ćeliju male snage vlastitim rukama čak iu školskoj laboratoriji. Morate se opskrbiti starom gas maskom, nekoliko komada pleksiglasa, lužinom i vodenom otopinom etil alkohola (jednostavnije, votke), koji će poslužiti kao "gorivo" za gorivnu ćeliju.

Prije svega, potrebno vam je kućište za gorivnu ćeliju, koje je najbolje napraviti od pleksiglasa, debljine najmanje pet milimetara. Unutrašnje pregrade (unutra ima pet odjeljaka) mogu se napraviti malo tanje - 3 cm Za lijepljenje pleksiglasa koristite ljepilo sljedećeg sastava: šest grama strugotine od pleksiglasa se otopi u sto grama hloroforma ili dihloretana (rad je obavljen ispod haube).

Sada morate izbušiti rupu u vanjskom zidu u koju kroz gumeni čep umetnuti staklenu odvodnu cijev promjera 5-6 centimetara.

Svima je poznato da su u periodnom sistemu najaktivniji metali u donjem levom uglu, a visoko aktivni metaloidi u gornjem desnom uglu tabele, tj. sposobnost doniranja elektrona povećava se odozgo prema dolje i s desna na lijevo. Elementi koji se pod određenim uslovima mogu manifestovati kao metali ili metaloidi nalaze se u centru tabele.

Sada sipamo aktivni ugljen iz gas maske u drugi i četvrti odjeljak (između prve pregrade i druge, kao i treće i četvrte), koji će djelovati kao elektrode. Da ugalj ne bi izlio kroz rupe, možete ga staviti u najlonsku tkaninu (prikladne su ženske najlonske čarape).

Gorivo će cirkulirati u prvoj komori, au petoj bi trebao postojati opskrbljivač kisikom - zrak. Između elektroda će se nalaziti elektrolit, a kako bi se spriječilo njegovo curenje u zračnu komoru, potrebno ga je prije punjenja natopiti otopinom parafina u benzinu (omjer 2 grama parafina na pola čaše benzina). četvrta komora sa ugljenikom za vazdušni elektrolit. Na sloj uglja potrebno je postaviti (blagim pritiskom) bakrene ploče na koje su zalemljene žice. Preko njih će se struja preusmjeriti sa elektroda.

Ostaje samo napuniti element. Za to vam je potrebna votka, koju treba razrijediti vodom 1:1. Zatim pažljivo dodajte trista do trista pedeset grama kaustičnog kalijuma. Za elektrolit, 70 grama kalijum hidroksida je rastvoreno u 200 grama vode.

Gorivna ćelija je spremna za testiranje. Sada morate istovremeno sipati gorivo u prvu komoru i elektrolit u treću. Voltmetar spojen na elektrode trebao bi pokazati od 07 volti do 0,9. Da bi se osigurao kontinuirani rad elementa, potrebno je ukloniti istrošeno gorivo (iscijediti u čašu) i dodati novo gorivo (kroz gumenu cijev). Brzina pomaka se podešava stiskanjem cijevi. Ovako izgleda rad gorivne ćelije u laboratorijskim uslovima, čija je snaga razumljivo mala.

Kako bi osigurali veću snagu, naučnici već duže vrijeme rade na ovom problemu. Aktivni čelik u razvoju sadrži metanol i etanol gorive ćelije. Ali, nažalost, još uvijek nisu u praksi.

Zašto je gorivna ćelija odabrana kao alternativni izvor energije

Kao alternativni izvor energije odabrana je gorivna ćelija, budući da je krajnji proizvod sagorijevanja vodonika u njoj voda. Jedini problem je pronaći jeftin i efikasan način za proizvodnju vodonika. Ogromna sredstva uložena u razvoj vodonik generatora i gorivnih ćelija ne mogu a da ne urode plodom, pa je tehnološki iskorak i njihova stvarna upotreba u svakodnevnom životu samo pitanje vremena.

Već danas čudovišta automobilske industrije: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard, demonstriraju autobuse i automobile koji rade na gorivim ćelijama, čija snaga dostiže 50 kW. Ali problemi povezani s njihovom sigurnošću, pouzdanošću i cijenom još nisu riješeni. Kao što je već spomenuto, za razliku od tradicionalnih izvora energije – baterija i akumulatora, u ovom slučaju se oksidator i gorivo napajaju izvana, a gorivna ćelija je samo posrednik u tekućoj reakciji sagorijevanja goriva i pretvaranja oslobođene energije u električnu energiju. “Sagorijevanje” se događa samo ako element opskrbljuje strujom opterećenje, poput dizel-elektrogeneratora, ali bez generatora i dizel motora, a također i bez buke, dima i pregrijavanja. Istovremeno, efikasnost je mnogo veća, jer nema međumehanizma.

Velike nade polažu se u upotrebu nanotehnologije i nanomaterijala, koji će pomoći minijaturizaciji gorivnih ćelija uz povećanje njihove snage. Bilo je izvještaja da su stvoreni ultra efikasni katalizatori, kao i dizajni za gorivne ćelije koje nemaju membrane. U njima se gorivo (na primjer, metan) dovodi u element zajedno s oksidantom. Zanimljiva rješenja koriste kisik otopljen u zraku kao oksidant, a organske nečistoće koje se akumuliraju u zagađenim vodama koriste se kao gorivo. To su takozvani elementi biogoriva.

Gorivne ćelije bi, prema mišljenju stručnjaka, mogle ući na masovno tržište u narednim godinama. objavljeno

Pridružite nam se

Opis:

Ovaj članak detaljnije ispituje njihov dizajn, klasifikaciju, prednosti i nedostatke, opseg primjene, učinkovitost, povijest stvaranja i moderne izglede za upotrebu.

Upotreba gorivnih ćelija za napajanje zgrada

Dio 1

Ovaj članak detaljnije ispituje princip rada gorivnih ćelija, njihov dizajn, klasifikaciju, prednosti i nedostatke, opseg primjene, efikasnost, povijest stvaranja i moderne izglede za korištenje. U drugom dijelu članka, koji će biti objavljen u narednom broju časopisa ABOK, daje primjere objekata u kojima su različite vrste gorivih ćelija korištene kao izvori topline i napajanja (ili samo napajanja).

Voda se može skladištiti čak iu oba smjera iu komprimiranom iu tečnom obliku, ali i to je bljuzgavica, koja je uzrokovana značajnim tehničkim problemima. To je zbog visokih pritisaka i ekstremno niskih temperatura zbog ukapljivanja. Iz tog razloga, na primjer, postolje za točenje vodenog goriva mora biti dizajnirano drugačije nego što smo navikli; kraj linije za punjenje povezuje robotsku ruku sa ventilom na automobilu. Povezivanje i punjenje je prilično opasno, te je stoga najbolje da se to dogodi bez prisustva ljudi.

Uvod

Gorivne ćelije su vrlo efikasan, pouzdan, izdržljiv i ekološki prihvatljiv način za proizvodnju energije.

Prvobitno korištene samo u svemirskoj industriji, gorivne ćelije se danas sve više koriste u raznim oblastima - kao stacionarne elektrane, toplinske i strujne jedinice za zgrade, motori vozila, napajanja za laptopove i mobilne telefone. Neki od ovih uređaja su laboratorijski prototipovi, neki su podvrgnuti testiranju prije proizvodnje ili se koriste u demonstracijske svrhe, ali mnogi modeli se masovno proizvode i koriste u komercijalnim projektima.

Takav uređaj je u probnoj vožnji na aerodromu u Minhenu, pokušajte da se vozite ovde pojedinačnim automobilima i autobusima. Veliki kilogram kilometraže je cool, ali u praksi je jednako važno koliko će kilograma koštati i koliko prostora u automobilu zauzima snažan, izoliran rezervoar goriva. Neki drugi problemi sa vodom: - stvaranje složene vazdušne kupke - problem sa garažama, autoservisom itd. - zahvaljujući maloj molekuli koja prodire u svako usko grlo, šrafove i ventile - kompresija i ukapljivanje zahtijevaju značajan utrošak energije.

Goriva ćelija (elektrohemijski generator) je uređaj koji pretvara hemijsku energiju goriva (vodika) u električnu energiju direktno putem elektrohemijske reakcije, za razliku od tradicionalnih tehnologija koje koriste sagorevanje čvrstih, tečnih i gasovitih goriva. Direktna elektrohemijska konverzija goriva je veoma efikasna i atraktivna sa ekološke tačke gledišta, jer proces rada proizvodi minimalnu količinu zagađivača i nema jake buke i vibracija.

Posebni pritisci, kompresija i skup potrebnih sigurnosnih mjera imaju vrlo dobru vrijednost u ocjeni na kraju vode, u odnosu na tečna ugljovodonična goriva koja se proizvode pomoću lakih kontejnera bez pritiska. Stoga, možda vrlo hitne okolnosti mogu doprinijeti njegovom zaista laskavom zadovoljstvu.

U bliskoj budućnosti, proizvođači automobila i dalje traže jeftinija i relativno manje opasna tečna goriva. Toplina može biti metanol, koji se može relativno lako ekstrahovati. Njegov glavni i jedini problem je toksičnost, s druge strane, kao i voda, metan se može koristiti i u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem i u određenoj vrsti lanca goriva. Takođe ima neke prednosti u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, uključujući u pogledu emisija.

Sa praktične tačke gledišta, gorivna ćelija liči na konvencionalnu naponsku bateriju. Razlika je u tome što je baterija inicijalno napunjena, odnosno napunjena "gorivom". Tokom rada, „gorivo“ se troši i baterija se prazni. Za razliku od baterije, gorivna ćelija koristi gorivo dopremljeno iz vanjskog izvora za proizvodnju električne energije (slika 1).

U tom smislu, voda se može uzdići do relativno neočekivane, a opet sposobne konkurencije. Gorivna ćelija je izvor struje generisane elektrohemijskom reakcijom. Za razliku od svih naših poznatih baterija, on stalno prima reagense i ispušta otpad, pa je za razliku od baterije praktički neiscrpan. Iako postoji mnogo različitih tipova, sljedeći dijagram vodonične gorivne ćelije pomaže nam da shvatimo kako ona funkcionira.

Gorivo se dovodi do pozitivne elektrode, gdje se oksidira. O2 kisik ulazi u negativnu elektrodu i može se reducirati.

Bilo je čak moguće razviti gorivu ćeliju koja direktno sagorijeva ugalj. Budući da bi rad naučnika iz Laboratorije Lawrence Livermore, koji je bio u mogućnosti da testira gorivu ćeliju koja direktno pretvara ugalj u električnu energiju, mogao biti vrlo važna prekretnica u razvoju energetike, zaustavićemo se na nekoliko riječi. Tlo uglja veličine do 1 mikrona miješa se na 750-850 ° C sa rastopljenim litijum, natrijum ili kalijum karbonatom.

Za proizvodnju električne energije može se koristiti ne samo čisti vodik, već i druge sirovine koje sadrže vodonik, na primjer, prirodni plin, amonijak, metanol ili benzin. Kao izvor kiseonika, takođe neophodan za reakciju, koristi se običan vazduh.

Prilikom korištenja čistog vodika kao goriva, produkti reakcije, osim električne energije, su toplina i voda (ili vodena para), odnosno plinovi koji uzrokuju zagađenje zraka ili izazivaju efekat staklene bašte se ne emituju u atmosferu. Ako se sirovina koja sadrži vodik, kao što je prirodni plin, koristi kao gorivo, drugi plinovi kao što su ugljični i dušikovi oksidi bit će nusproizvod reakcije, ali količina je mnogo manja nego kada se sagorijeva ista količina prirodnog gas.

Zatim se sve radi na standardni način prema gornjem dijagramu: kisik u zraku reagira s ugljikom na ugljični dioksid, a energija se oslobađa u obliku električne energije. Iako znamo za nekoliko različitih tipova gorivnih ćelija, sve one rade prema opisanom principu. Ovo je neka vrsta kontrolisanog sagorevanja. Kada pomiješamo vodonik s kisikom, dobijemo fisijsku smjesu koja eksplodira i formira vodu. Energija se oslobađa u obliku toplote. Vodikova gorivna ćelija ima istu reakciju, proizvod je također voda, ali energija se oslobađa kao električna energija.

Proces hemijskog pretvaranja goriva u proizvodnju vodonika naziva se reforming, a odgovarajući uređaj se naziva reformer.

Prednosti i mane gorivnih ćelija

Gorivne ćelije su energetski efikasnije od motora sa unutrašnjim sagorevanjem jer ne postoji termodinamičko ograničenje energetske efikasnosti za gorivne ćelije. Efikasnost gorivih ćelija je 50%, dok je efikasnost motora sa unutrašnjim sagorevanjem 12-15%, a efikasnost parnih turbinskih elektrana ne prelazi 40%. Korišćenjem toplote i vode, efikasnost gorivnih ćelija se dodatno povećava.

Velika prednost gorivne ćelije je u tome što proizvodi električnu energiju iz goriva na ovaj ili onaj način direktno, bez međutermoelektrane, pa su emisije manje, a efikasnost veća. Dostiže 70%, dok standardno ostvarujemo 40% konverzije uglja u električnu energiju. Zašto ne bismo izgradili gigantske gorivne ćelije umjesto elektrana? Gorivna ćelija je prilično složen uređaj koji radi na visokim temperaturama, tako da su zahtjevi za materijalima elektroda i samim elektrolitom visoki.

Za razliku od, na primer, motora sa unutrašnjim sagorevanjem, efikasnost gorivih ćelija ostaje veoma visoka čak i kada ne rade punom snagom. Osim toga, snaga gorivih ćelija se može povećati jednostavnim dodavanjem pojedinačnih jedinica, a efikasnost se ne mijenja, odnosno velike instalacije su jednako efikasne kao i male. Ove okolnosti omogućavaju vrlo fleksibilan odabir sastava opreme u skladu sa željama kupca i u konačnici dovode do smanjenja troškova opreme.

Elektroliti uključuju, na primjer, membrane za ionsku izmjenu ili provodne keramičke materijale, ili prilično skupe materijale, ili fosfornu kiselinu, natrijum hidroksid ili rastopljene karbonate alkalnih metala, koji su vrlo agresivni za promjenu tkiva. Upravo ta poteškoća, nakon početnog entuzijazma u dvadesetom vijeku, gorivne ćelije, izvan svemirskog programa, nisu bile značajnije.

Interesovanje je zatim ponovo splasnulo kada je postalo jasno da je šira upotreba izvan mogućnosti tehnologije u to vreme. Međutim, u proteklih trideset godina razvoj nije stao, pojavili su se novi materijali i koncepti, a naši prioriteti su se promijenili – sada mnogo više pažnje posvećujemo zaštiti okoliša nego tada. Stoga doživljavamo neku vrstu renesanse u gorivnim ćelijama, koje se sve više koriste u mnogim područjima. U svijetu postoji 200 takvih uređaja. Na primjer, služe kao rezervni uređaj gdje kvar mreže može uzrokovati ozbiljne probleme - na primjer, u bolnicama ili vojnim ustanovama.

Važna prednost gorivnih ćelija je njihova ekološka prihvatljivost. Emisije gorivih ćelija su toliko niske da u nekim dijelovima Sjedinjenih Država njihov rad ne zahtijeva posebno odobrenje vladinih regulatora kvaliteta zraka.

Gorivne ćelije se mogu postaviti direktno u zgradu, smanjujući gubitke tokom transporta energije, a toplota nastala kao rezultat reakcije može se koristiti za snabdevanje zgrade toplotom ili toplom vodom. Autonomni izvori toplote i električne energije mogu biti veoma korisni u udaljenim područjima i regionima koje karakteriše nedostatak električne energije i njena visoka cena, ali istovremeno postoje rezerve sirovina koje sadrže vodonik (nafta, prirodni gas).

Koriste se na veoma udaljenim lokacijama gde je lakše transportovati gorivo nego rastezati kabl. Oni takođe mogu početi da se takmiče sa elektranama. Ovo je najmoćniji modul instaliran na svijetu.

Gotovo svaki veliki proizvođač automobila radi na projektu električnog vozila na gorive ćelije. Čini se da je to koncept koji obećava mnogo više od konvencionalnog električnog automobila na baterije jer ne zahtijeva dugo vrijeme punjenja, a potrebna promjena infrastrukture nije toliko opsežna.

Prednosti gorivnih ćelija su i dostupnost goriva, pouzdanost (nema pokretnih dijelova u gorivnoj ćeliji), izdržljivost i lakoća rada.

Jedan od glavnih nedostataka gorivnih ćelija današnjice je njihova relativno visoka cijena, ali ovaj nedostatak se uskoro može prevazići - sve više kompanija proizvodi komercijalne uzorke gorivnih ćelija, one se stalno poboljšavaju, a njihova cijena sve je manja.

Sve veći značaj gorivnih ćelija ilustruje i činjenica da je Bushova administracija nedavno preispitala svoj pristup razvoju automobila, a sredstva koja je potrošila na razvoj automobila sa najboljom mogućom kilometražom sada se prebacuju na projekte gorivnih ćelija. Finansiranje razvoja ne ostaje jednostavno u rukama države.

Naravno, novi koncept pogona nije ograničen samo na putničke automobile, već ga možemo pronaći i u masovnom prevozu. Autobusi na gorive ćelije prevoze putnike ulicama nekoliko gradova. Uz pogone za automobile, na tržištu postoji niz manjih, kao što su kompjuteri, video kamere i mobilni telefoni. Na slici vidimo gorivu ćeliju za napajanje saobraćajnog alarma.

Najefikasniji način je korištenje čistog vodonika kao goriva, ali to će zahtijevati stvaranje posebne infrastrukture za njegovu proizvodnju i transport. Trenutno svi komercijalni modeli koriste prirodni plin i slična goriva. Motorna vozila mogu koristiti običan benzin, što će omogućiti održavanje postojeće razvijene mreže benzinskih pumpi. Međutim, upotreba takvog goriva dovodi do štetnih emisija u atmosferu (iako vrlo niskih) i komplikuje (i stoga povećava cijenu) gorivne ćelije. U budućnosti se razmatra mogućnost korištenja ekološki prihvatljivih obnovljivih izvora energije (na primjer, sunčeve ili vjetroelektrane) za razlaganje vode na vodik i kisik pomoću elektrolize, a zatim pretvaranje dobivenog goriva u gorivu ćeliju. Ovakva kombinovana postrojenja, koja rade u zatvorenom ciklusu, mogu predstavljati potpuno ekološki prihvatljiv, pouzdan, izdržljiv i efikasan izvor energije.

Vrijedi spomenuti korištenje gorivnih ćelija na deponijama, gdje one mogu sagorijevati emisije plinova i pomoći u poboljšanju okoliša uz proizvodnju električne energije. Trenutno je u funkciji nekoliko testnih postrojenja, a priprema se opsežan program za instalaciju ovih postrojenja na 150 testnih mjesta širom Sjedinjenih Država. Gorivne ćelije su jednostavno korisni uređaji i sigurno ćemo ih viđati sve češće.

Hemičari su razvili katalizator koji bi mogao zamijeniti skupu platinu u gorivnim ćelijama. Umjesto toga, koristi oko dvije stotine hiljada jeftinog željeza. Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku energiju u električnu energiju. Elektroni u različitim molekulima imaju različite energije. Energetska razlika između jedne i druge molekule može se koristiti kao izvor energije. Samo pronađite reakciju u kojoj se elektroni kreću od višeg ka nižem. Takve reakcije su glavni izvor energije za žive organizme.

Još jedna karakteristika gorivih ćelija je da su najefikasnije kada koriste i električnu i toplotnu energiju istovremeno. Međutim, nema svaki objekat mogućnost korištenja toplinske energije. Ako se gorive ćelije koriste samo za proizvodnju električne energije, njihova efikasnost se smanjuje, iako premašuje efikasnost “tradicionalnih” instalacija.

Najpoznatije je disanje, koje pretvara šećere u ugljični dioksid i vodu. U vodikovim gorivnim ćelijama, molekule vodonika sa dva atoma se kombinuju sa kiseonikom i formiraju vodu. Razlika energije između elektrona u vodiku i vodi koristi se za proizvodnju električne energije. Vodikove ćelije su vjerovatno najčešće korištene za vožnju automobila danas. Njihovo masivno širenje takođe sprečava mala zakačenja.

Da bi se odvijala energetski bogata reakcija, potreban je katalizator. Katalizatori su molekule koje povećavaju vjerovatnoću da će se reakcija dogoditi. I bez katalizatora bi mogao raditi, ali rjeđe ili sporije. Vodikove ćelije koriste plemenitu platinu kao katalizator.

Istorija i savremena upotreba gorivnih ćelija

Princip rada gorivih ćelija otkriven je 1839. godine. Engleski naučnik William Robert Grove (1811-1896) otkrio je da je proces elektrolize - razlaganje vode na vodonik i kiseonik putem električne struje - reverzibilan, odnosno da se vodonik i kiseonik mogu kombinovati u molekule vode bez sagorevanja, ali sa oslobađanjem. toplote i električne struje. Grove je uređaj u kojem je takva reakcija bila moguća nazvao "plinska baterija", koja je bila prva gorivna ćelija.

Ista reakcija koja se dešava u vodikovim ćelijama dešava se iu živim ćelijama. Enzimi su relativno velike molekule sastavljene od aminokiselina koje se mogu kombinirati poput Lego kockica. Svaki enzim ima takozvano aktivno mjesto, gdje se reakcija ubrzava. Molekuli osim aminokiselina također su često prisutni na aktivnom mjestu.

U slučaju vodonične kiseline, to je gvožđe. Tim hemičara, predvođen Morrisom Bullokom iz Pacifičke laboratorije američkog Ministarstva energetike, uspeo je da oponaša reakciju na aktivnom mestu hidrogenacije. Kao i enzim, hidrogenacija je dovoljna za platinu sa gvožđem. Može podijeliti 0,66 do 2 molekula vodonika u sekundi. Razlika u naponu kreće se od 160 do 220 hiljada volti. Oba su uporediva sa trenutnim platinskim katalizatorima koji se koriste u vodoničnim ćelijama. Reakcija se izvodi na sobnoj temperaturi.

Aktivan razvoj tehnologija za korištenje gorivnih ćelija započeo je nakon Drugog svjetskog rata, a povezan je sa zrakoplovnom industrijom. U to vrijeme je u toku potraga za efikasnim i pouzdanim, ali u isto vrijeme prilično kompaktnim izvorom energije. Šezdesetih godina prošlog stoljeća, stručnjaci NASA-e (Nacionalna uprava za aeronautiku i svemir, NASA) odabrali su gorivne ćelije kao izvor energije za svemirske letjelice programa Apollo (letovi na Mjesec), Apolo-Soyuz, Gemini i Skylab. Svemirska letjelica Apollo koristila je tri elektrane od 1,5 kW (2,2 kW) koje koriste kriogeni vodik i kisik za proizvodnju električne energije, topline i vode. Masa svake instalacije bila je 113 kg. Ove tri ćelije su radile paralelno, ali energija koju je proizvela jedna jedinica bila je dovoljna za siguran povratak. Tokom 18 letova, gorivne ćelije su radile ukupno 10.000 sati bez ikakvih kvarova. Trenutno se gorivne ćelije koriste u Space Shuttleu, koji koristi tri jedinice od 12 W za generiranje električne energije na brodu (slika 2). Voda dobijena kao rezultat elektrohemijske reakcije koristi se za vodu za piće, ali i za opremu za hlađenje.

Jedan kilogram željeza košta 0,5 CZK. Dakle, željezo je 200 hiljada puta jeftinije od platine. U budućnosti bi gorivne ćelije mogle biti jeftinije. Skupa platina nije jedini razlog zašto ih ne bi trebalo koristiti, barem ne u velikim količinama. Rukovanje je teško i opasno.

Ako bi se vodonične komore koristile na veliko za vožnju automobila, morale bi izgraditi istu infrastrukturu kao benzin i dizel. Osim toga, bakar je potreban za proizvodnju električnih motora koji pokreću automobile na vodik. Međutim, to ne znači da su gorive ćelije beskorisne. Kada ima nafte, možda nemamo izbora nego da radimo na vodiku.

U našoj zemlji se radilo i na stvaranju gorivih ćelija za upotrebu u astronautici. Na primjer, gorive ćelije su korištene za pogon sovjetske letjelice Buran za višekratnu upotrebu.

Razvoj metoda za komercijalnu upotrebu gorivnih ćelija započeo je sredinom 1960-ih. Ovaj razvoj je djelimično finansiran od strane vladinih organizacija.

Trenutno se razvoj tehnologija za upotrebu gorivnih ćelija odvija u nekoliko pravaca. Riječ je o stvaranju stacionarnih elektrana na gorivne ćelije (i za centralizirano i decentralizirano snabdijevanje energijom), elektrana za vozila (stvoreni su uzorci automobila i autobusa na gorive ćelije, uključujući i kod nas) (Sl. 3), i takođe i napajanja za razne mobilne uređaje (laptop računare, mobilne telefone, itd.) (Sl. 4).

Primeri upotrebe gorivnih ćelija u različitim oblastima dati su u tabeli. 1.

Jedan od prvih komercijalnih modela gorivih ćelija dizajniranih za autonomno snabdijevanje zgradama toplinom i strujom bio je PC25 model A koji proizvodi ONSI Corporation (sada United Technologies, Inc.). Ova gorivna ćelija nazivne snage 200 kW je tip ćelije sa elektrolitom na bazi fosforne kiseline (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Broj “25” u nazivu modela znači serijski broj dizajna. Većina prethodnih modela bili su eksperimentalne ili testne jedinice, kao što je model od 12,5 kW "PC11" predstavljen 1970-ih. Novi modeli povećali su snagu izvučenu iz pojedinačne gorivne ćelije, a također su smanjili cijenu po kilovatu proizvedene energije. Trenutno, jedan od najefikasnijih komercijalnih modela je PC25 Model C gorivna ćelija. Kao i model A, ovo je potpuno automatska PAFC gorivna ćelija od 200 kW dizajnirana za instalaciju na licu mjesta kao samostalni izvor topline i energije. Takva gorivna ćelija može se instalirati izvan zgrade. Spolja je to paralelepiped dugačak 5,5 m, širok 3 m i visok, težak 18.140 kg. Razlika u odnosu na prethodne modele je poboljšani reformator i veća gustoća struje.

Tabela 1 Područje primjene gorivnih ćelija

Region aplikacije Nominalno moć Primjeri korištenja Stacionarno instalacije 5–250 kW i viši Autonomni izvori toplotne i električne energije za stambene, javne i industrijske zgrade, besprekidna napajanja, rezervni i hitni izvori napajanja Prijenosni instalacije 1–50 kW Putokazi, teretna i hladnjača željeznička vozila, invalidska kolica, kolica za golf, svemirski brodovi i sateliti Mobilni instalacije 25–150 kW Automobili (prototipe su kreirali, na primjer, DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobusi (npr. "MAN", "Neoplan", "Renault") i druga vozila , ratne brodove i podmornice Mikrouređaji 1–500 W Mobilni telefoni, laptopi, lični digitalni asistenti (PDA), razni potrošački elektronski uređaji, savremeni vojni uređaji

U nekim tipovima gorivih ćelija, hemijski proces se može obrnuti: primjenom razlike potencijala na elektrode, voda se može razgraditi na vodonik i kisik, koji se skupljaju na poroznim elektrodama. Kada je opterećenje povezano, takva regenerativna gorivna ćelija će početi proizvoditi električnu energiju.

Obećavajući smjer za korištenje gorivnih ćelija je njihova upotreba u kombinaciji s obnovljivim izvorima energije, na primjer, fotonaponskim panelima ili vjetroelektranama. Ova tehnologija nam omogućava da u potpunosti izbjegnemo zagađenje zraka. Sličan sistem se planira kreirati, na primjer, u Centru za obuku Adam Joseph Lewis u Oberlinu (vidi ABOK, 2002, br. 5, str. 10). Trenutno se solarni paneli koriste kao jedan od izvora energije u ovoj zgradi. Zajedno sa stručnjacima NASA-e razvijen je projekt korištenja fotonaponskih panela za proizvodnju vodika i kisika iz vode elektrolizom. Vodik se zatim koristi u gorivnim ćelijama za proizvodnju električne energije i. Ovo će omogućiti zgradi da održi funkcionalnost svih sistema tokom oblačnih dana i noću.

Princip rada gorivnih ćelija

Razmotrimo princip rada gorivne ćelije na primjeru jednostavnog elementa sa membranom za izmjenu protona (Proton Exchange Membrane, PEM). Takva ćelija se sastoji od polimerne membrane postavljene između anode (pozitivne elektrode) i katode (negativna elektroda) zajedno sa anodom i katodnim katalizatorom. Polimerna membrana se koristi kao elektrolit. Dijagram PEM elementa je prikazan na sl. 5.

Membrana za protonsku izmjenu (PEM) je tanko (oko 2-7 listova debljine papira) čvrsto organsko jedinjenje. Ova membrana funkcionira kao elektrolit: odvaja supstancu na pozitivno i negativno nabijene ione u prisustvu vode.

Proces oksidacije se odvija na anodi, a proces redukcije na katodi. Anoda i katoda u PEM ćeliji su napravljene od poroznog materijala, koji je mješavina čestica ugljika i platine. Platina djeluje kao katalizator koji potiče reakciju disocijacije. Anoda i katoda su napravljene porozne za slobodan prolaz vodonika i kiseonika kroz njih, respektivno.

Anoda i katoda su smještene između dvije metalne ploče koje dovode vodonik i kisik do anode i katode, te odvode toplinu i vodu, kao i električnu energiju.

Molekuli vodonika prolaze kroz kanale u ploči do anode, gdje se molekuli razlažu na pojedinačne atome (slika 6).

	Slika 5. () Šema gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona (PEM ćelija)
	Slika 6. () Molekuli vodika prolaze kroz kanale na ploči do anode, gdje se molekuli razlažu na pojedinačne atome
	Slika 7. () Kao rezultat hemisorpcije u prisustvu katalizatora, atomi vodika se pretvaraju u protone
	Slika 8. () Pozitivno nabijeni vodikovi ioni difundiraju kroz membranu do katode, a tok elektrona se usmjerava na katodu kroz vanjsko električno kolo na koje je priključeno opterećenje.
	Slika 9. () Kiseonik koji se dovodi na katodu, u prisustvu katalizatora, ulazi u hemijsku reakciju sa ionima vodonika iz membrane za izmjenu protona i elektronima iz vanjskog električnog kola. Kao rezultat kemijske reakcije nastaje voda

Zatim, kao rezultat hemisorpcije u prisustvu katalizatora, atomi vodonika, od kojih svaki daje po jedan elektron e –, se pretvaraju u pozitivno nabijene vodonikove ione H+, odnosno protone (slika 7).

Pozitivno nabijeni vodikovi joni (protoni) difundiraju kroz membranu do katode, a tok elektrona se usmjerava na katodu preko vanjskog električnog kola na koje je priključen teret (potrošač električne energije) (slika 8).

Kiseonik koji se dovodi na katodu, u prisustvu katalizatora, ulazi u hemijsku reakciju sa jonima vodonika (protonima) iz membrane za izmjenu protona i elektronima iz vanjskog električnog kola (slika 9). Kao rezultat kemijske reakcije nastaje voda.

Hemijska reakcija u drugim tipovima gorivih ćelija (na primjer, sa kiselim elektrolitom, koji koristi otopinu ortofosforne kiseline H 3 PO 4) je apsolutno identična kemijskoj reakciji u gorivim ćelijama s membranom za izmjenu protona.

U bilo kojoj gorivnoj ćeliji, dio energije iz kemijske reakcije oslobađa se kao toplina.

Protok elektrona u vanjskom kolu je jednosmjerna struja koja se koristi za obavljanje posla. Otvaranje vanjskog kruga ili zaustavljanje kretanja vodikovih jona zaustavlja kemijsku reakciju.

Količina električne energije koju proizvodi gorivna ćelija ovisi o vrsti gorivne ćelije, geometrijskim dimenzijama, temperaturi, tlaku plina. Zasebna gorivna ćelija daje EMF manji od 1,16 V. Veličina gorivih ćelija se može povećati, ali se u praksi koristi nekoliko elemenata povezanih u baterije (slika 10).

Dizajn gorivne ćelije

Pogledajmo dizajn gorivne ćelije koristeći PC25 model C kao primjer. Dijagram gorivne ćelije je prikazan na sl. jedanaest.

Gorivna ćelija PC25 Model C sastoji se od tri glavna dijela: procesor goriva, dio za stvarnu proizvodnju energije i pretvarač napona.

Glavni dio gorivne ćelije, dio za proizvodnju energije, je baterija sastavljena od 256 pojedinačnih gorivnih ćelija. Elektrode gorivih ćelija sadrže platinasti katalizator. Ove ćelije proizvode konstantnu električnu struju od 1400 ampera na 155 volti. Dimenzije baterije su otprilike 2,9 m dužine i 0,9 m širine i visine.

Budući da se elektrohemijski proces odvija na temperaturi od 177 °C, potrebno je zagrijati bateriju u trenutku pokretanja i odvojiti toplinu iz nje tokom rada. Da bi se to postiglo, gorivna ćelija uključuje poseban vodeni krug, a baterija je opremljena posebnim pločama za hlađenje.

Procesor goriva pretvara prirodni gas u vodonik potreban za elektrohemijsku reakciju. Ovaj proces se naziva reformiranje. Glavni element procesora goriva je reformator. U reformeru, prirodni gas (ili drugo gorivo koje sadrži vodonik) reaguje sa vodenom parom na visokoj temperaturi (900 °C) i visokom pritisku u prisustvu nikalnog katalizatora. U tom slučaju dolazi do sljedećih hemijskih reakcija:

CH 4 (metan) + H 2 O 3 H 2 + CO

(reakcija je endotermna, sa apsorpcijom toplote);

CO + H 2 O H 2 + CO 2

(reakcija je egzotermna, oslobađajući toplotu).

Ukupna reakcija je izražena jednadžbom:

CH 4 (metan) + 2H 2 O 4H 2 + CO 2

(reakcija je endotermna, sa apsorpcijom toplote).

Kako bi se osigurala visoka temperatura potrebna za pretvaranje prirodnog plina, dio istrošenog goriva iz dimnjaka gorivih ćelija usmjerava se u gorionik, koji održava potrebnu temperaturu reformatora.

Para potrebna za reformiranje nastaje iz kondenzata koji nastaje tokom rada gorivne ćelije. Ovo koristi toplinu koja se uklanja iz baterije gorivih ćelija (slika 12).

Sloj gorivnih ćelija proizvodi isprekidanu jednosmjernu struju niskog napona i velike struje. Pretvarač napona se koristi za pretvaranje u industrijski standard naizmjenične struje. Osim toga, jedinica pretvarača napona uključuje različite kontrolne uređaje i sigurnosne sklopove koji omogućavaju isključivanje gorivne ćelije u slučaju različitih kvarova.

U takvim gorivnim ćelijama, otprilike 40% energije goriva može se pretvoriti u električnu energiju. Otprilike ista količina, oko 40% energije goriva, može se pretvoriti u toplotnu energiju, koja se potom koristi kao izvor toplote za grijanje, opskrbu toplom vodom i slične svrhe. Dakle, ukupna efikasnost takve instalacije može doseći 80%.

Važna prednost takvog izvora topline i električne energije je mogućnost njegovog automatskog rada. Za održavanje, vlasnici objekta u kojem je ugrađena gorivna ćelija ne moraju održavati posebno obučeno osoblje - periodično održavanje mogu obavljati zaposleni u operativnoj organizaciji.

Vrste gorivnih ćelija

Trenutno je poznato nekoliko vrsta gorivnih ćelija koje se razlikuju po sastavu upotrijebljenog elektrolita. Sljedeća četiri tipa su najraširenija (tabela 2):

1. Gorivne ćelije sa membranom za izmjenu protona (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Gorivne ćelije na bazi ortofosforne kiseline (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Gorivne ćelije na bazi rastopljenog karbonata (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Gorivne ćelije sa čvrstim oksidom (SOFC). Trenutno je najveća flota gorivnih ćelija bazirana na PAFC tehnologiji.

Jedna od ključnih karakteristika različitih tipova gorivnih ćelija je radna temperatura. Na mnogo načina, temperatura je ta koja određuje područje primjene gorivnih ćelija. Na primjer, visoke temperature su kritične za prijenosna računala, pa se za ovaj tržišni segment razvijaju gorivne ćelije s protonskom izmjenom s niskim radnim temperaturama.

Za autonomno napajanje zgrada potrebne su gorivne ćelije velike instalisane snage, a istovremeno postoji i mogućnost korištenja toplinske energije, pa se u ove svrhe mogu koristiti i druge vrste gorivih ćelija.

Gorivne ćelije sa membranom za protonsku izmjenu (PEMFC)

Ove gorivne ćelije rade na relativno niskim radnim temperaturama (60-160 °C). Imaju veliku gustoću snage, omogućavaju vam brzo podešavanje izlazne snage i mogu se brzo uključiti. Nedostatak ovog tipa elementa su visoki zahtjevi za kvalitetom goriva, jer kontaminirano gorivo može oštetiti membranu. Nazivna snaga ove vrste gorivnih ćelija je 1-100 kW.

Gorivne ćelije sa membranom za protonsku izmjenu prvobitno je razvio General Electric 1960-ih za NASA-u. Ovaj tip gorivih ćelija koristi čvrsti polimerni elektrolit koji se zove Proton Exchange Membrane (PEM). Protoni se mogu kretati kroz membranu za izmjenu protona, ali elektroni ne mogu proći kroz nju, što rezultira potencijalnom razlikom između katode i anode. Zbog svoje jednostavnosti i pouzdanosti, takve gorive ćelije su korištene kao izvor energije na svemirskom brodu Gemini s ljudskom posadom.

Ova vrsta gorivih ćelija koristi se kao izvor napajanja za širok spektar različitih uređaja, uključujući prototipove i prototipove, od mobilnih telefona do autobusa i stacionarnih sistema napajanja. Niska radna temperatura omogućava da se takve ćelije koriste za napajanje različitih vrsta složenih elektronskih uređaja. Njihova upotreba je manje efikasna kao izvor toplinske i električne energije za javne i industrijske zgrade, gdje su potrebne velike količine toplotne energije. Istovremeno, takvi elementi obećavaju kao autonomni izvor napajanja za male stambene zgrade kao što su vikendice izgrađene u regijama s toplom klimom.

tabela 2 Vrste gorivnih ćelija

Vrsta stavke Radnici temperatura, °C Efikasnost izlaza električni energija),% Ukupno Efikasnost, % Gorivne ćelije sa membrana za izmjenu protona (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Gorivne ćelije na bazi fosfora (fosforna) kiselina (PAFC) 150–200 35 70–80 Na bazi gorivih ćelija rastopljeni karbonat (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Čvrsti oksid gorivne ćelije (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Gorivne ćelije fosforne kiseline (PAFC)

Testiranja gorivnih ćelija ovog tipa vršena su već početkom 1970-ih. Raspon radne temperature - 150-200 °C. Glavna oblast primene su autonomni izvori snabdevanja toplotom i električnom energijom srednje snage (oko 200 kW).

Ove gorive ćelije koriste otopinu fosforne kiseline kao elektrolit. Elektrode su napravljene od papira obloženog ugljenikom u kojem je raspršen platinasti katalizator.

Električna efikasnost PAFC gorivnih ćelija je 37-42%. Međutim, budući da ove gorivne ćelije rade na prilično visokoj temperaturi, moguće je koristiti paru koja nastaje kao rezultat rada. U ovom slučaju, ukupna efikasnost može doseći 80%.

Da bi se proizvela energija, sirovina koja sadrži vodonik mora se pretvoriti u čisti vodonik kroz proces reformiranja. Na primjer, ako se kao gorivo koristi benzin, potrebno je ukloniti spojeve koji sadrže sumpor, jer sumpor može oštetiti platinski katalizator.

PAFC gorivne ćelije su bile prve komercijalne gorivne ćelije koje su se koristile ekonomično. Najčešći model je bila 200 kW PC25 gorivna ćelija koju proizvodi ONSI Corporation (sada United Technologies, Inc.) (slika 13). Na primjer, ovi elementi se koriste kao izvor toplinske i električne energije u policijskoj stanici u Central Parku u New Yorku ili kao dodatni izvor energije u Conde Nast Buildingu i Four Times Squareu. Najveća instalacija ovog tipa testira se kao elektrana od 11 MW koja se nalazi u Japanu.

Gorivne ćelije fosforne kiseline se takođe koriste kao izvor energije u vozilima. Na primjer, 1994. godine H-Power Corp., Univerzitet Georgetown i Ministarstvo energetike SAD opremili su autobus sa elektranom od 50 kW.

Gorive ćelije s rastopljenim karbonatom (MCFC)

Gorivne ćelije ovog tipa rade na vrlo visokim temperaturama - 600-700 °C. Ove radne temperature omogućavaju da se gorivo koristi direktno u samoj ćeliji, bez upotrebe posebnog reformera. Ovaj proces je nazvan „unutrašnja reforma“. Omogućuje značajno pojednostavljenje dizajna gorivne ćelije.

Gorivne ćelije na bazi rastopljenog karbonata zahtijevaju značajno vrijeme pokretanja i ne dozvoljavaju brzo podešavanje izlazne snage, pa su njihova glavna oblast primjene veliki stacionarni izvori toplinske i električne energije. Međutim, karakteriše ih visoka efikasnost konverzije goriva - 60% električne efikasnosti i do 85% ukupne efikasnosti.

U ovoj vrsti gorivih ćelija, elektrolit se sastoji od soli kalijum karbonata i litij karbonata zagrijanih na približno 650 °C. Pod ovim uslovima, soli su u rastopljenom stanju, formirajući elektrolit. Na anodi, vodik reaguje sa CO 3 ionima, stvarajući vodu, ugljični dioksid i oslobađajući elektrone, koji se šalju u vanjsko kolo, a na katodi kisik reagira s ugljičnim dioksidom i elektronima iz vanjskog kola, ponovo stvarajući CO 3 ione .

Laboratorijske uzorke gorivnih ćelija ovog tipa kreirali su kasnih 1950-ih godina holandski naučnici G. H. J. Broers i J. A. A. Ketelaar. Šezdesetih godina prošlog vijeka, inženjer Francis T. Bacon, potomak poznatog engleskog pisca i naučnika iz 17. stoljeća, radio je sa ovim ćelijama, zbog čega se MCFC gorivne ćelije ponekad nazivaju i Bacon ćelije. U programima NASA Apollo, Apollo-Soyuz i Scylab, ove gorive ćelije su korištene kao izvor napajanja (slika 14). Tokom ovih istih godina, američko vojno odjeljenje testiralo je nekoliko uzoraka MCFC gorivnih ćelija proizvedenih od strane Texas Instruments, koji su koristili vojni benzin kao gorivo. Sredinom 1970-ih, Ministarstvo energetike SAD-a započelo je istraživanje za stvaranje stacionarne gorive ćelije od rastopljenog karbonata pogodne za praktičnu primjenu. Devedesetih godina prošlog stoljeća uveden je niz komercijalnih instalacija nazivne snage do 250 kW, na primjer u američkoj mornaričkoj zračnoj stanici Miramar u Kaliforniji. Godine 1996, FuelCell Energy, Inc. pokrenuo pretproizvodnu elektranu od 2 MW u Santa Clari, Kalifornija.

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su jednostavne konstrukcije i rade na vrlo visokim temperaturama - 700-1.000 °C. Tako visoke temperature omogućavaju upotrebu relativno „prljavog“, nerafinisanog goriva. Iste karakteristike kao i gorivnih ćelija na bazi rastopljenog karbonata određuju slično polje primjene – veliki stacionarni izvori toplinske i električne energije.

Čvrste oksidne gorivne ćelije se strukturno razlikuju od gorivnih ćelija zasnovanih na PAFC i MCFC tehnologijama. Anoda, katoda i elektrolit izrađeni su od keramike posebnih vrsta. Najčešće korišteni elektrolit je mješavina cirkonijum oksida i kalcijum oksida, ali se mogu koristiti i drugi oksidi. Elektrolit formira kristalnu rešetku obloženu s obje strane poroznim elektrodnim materijalom. Strukturno, takvi elementi su izrađeni u obliku cijevi ili ravnih ploča, što omogućava korištenje tehnologija koje se široko koriste u elektronskoj industriji u njihovoj proizvodnji. Kao rezultat toga, čvrste oksidne gorivne ćelije mogu raditi na vrlo visokim temperaturama, što ih čini povoljnim za proizvodnju električne i toplinske energije.

Pri visokim radnim temperaturama na katodi se formiraju ioni kisika koji migriraju kroz kristalnu rešetku do anode, gdje stupaju u interakciju s vodikovim ionima, formirajući vodu i oslobađajući slobodne elektrone. U ovom slučaju, vodonik se odvaja od prirodnog gasa direktno u ćeliji, odnosno nema potrebe za posebnim reformatorom.

Teorijske osnove za stvaranje čvrstih oksidnih gorivnih ćelija postavljene su još kasnih 1930-ih, kada su švajcarski naučnici Emil Bauer i H. Preis eksperimentisali sa cirkonijumom, itrijumom, cerijumom, lantanom i volframom, koristeći ih kao elektrolite.

Prve prototipove takvih gorivnih ćelija stvorile su kasnih 1950-ih brojne američke i holandske kompanije. Većina ovih kompanija ubrzo je odustala od daljih istraživanja zbog tehnoloških poteškoća, ali jedna od njih, Westinghouse Electric Corp. (sada Siemens Westinghouse Power Corporation), nastavio rad. Kompanija trenutno prima prednarudžbe za komercijalni model cijevnih čvrstih oksidnih gorivnih ćelija, za koji se očekuje da će biti dostupan ove godine (Slika 15). Tržišni segment takvih elemenata su stacionarne instalacije za proizvodnju toplotne i električne energije kapaciteta od 250 kW do 5 MW.

SOFC gorivne ćelije su pokazale vrlo visoku pouzdanost. Na primjer, prototip gorivne ćelije koju je proizveo Siemens Westinghouse ostvario je 16.600 sati rada i nastavlja da radi, što ga čini najdužim neprekidnim vijekom trajanja gorive ćelije na svijetu.

Visokotemperaturni i visokotlačni način rada SOFC gorivnih ćelija omogućava stvaranje hibridnih postrojenja u kojima emisije gorivih ćelija pokreću plinske turbine koje se koriste za proizvodnju električne energije. Prva takva hibridna instalacija radi u Irvineu u Kaliforniji. Nazivna snaga ove instalacije je 220 kW, od čega 200 kW iz gorivne ćelije i 20 kW iz mikroturbinskog generatora.

Gorivna ćelija je elektrohemijski uređaj sličan galvanskoj ćeliji, ali se od njega razlikuje po tome što mu se tvari za elektrokemijsku reakciju dovode izvana - za razliku od ograničene količine energije pohranjene u galvanskoj ćeliji ili bateriji.

Rice. 1. Neke gorivne ćelije

Gorivne ćelije pretvaraju hemijsku energiju goriva u električnu, zaobilazeći neefikasne procese sagorevanja koji se javljaju uz velike gubitke. Oni pretvaraju vodonik i kisik u električnu energiju kemijskom reakcijom. Kao rezultat ovog procesa nastaje voda i oslobađa se velika količina topline. Gorivna ćelija je vrlo slična bateriji koja se može puniti, a zatim koristiti pohranjenu električnu energiju. Izumiteljem gorivne ćelije smatra se William R. Grove, koji ju je izumio davne 1839. godine. Ova gorivna ćelija koristila je otopinu sumporne kiseline kao elektrolit i vodik kao gorivo, koji je bio spojen s kisikom u oksidacijskom sredstvu. Do nedavno su se gorivne ćelije koristile samo u laboratorijama i na svemirskim letjelicama.

Za razliku od drugih generatora energije, kao što su motori sa unutrašnjim sagorevanjem ili turbine na gas, ugalj, lož ulje, itd., gorivne ćelije ne sagorevaju gorivo. To znači da nema bučnih rotora visokog pritiska, nema glasne buke izduvnih gasova, nema vibracija. Gorivne ćelije proizvode električnu energiju kroz tihu elektrohemijsku reakciju. Još jedna karakteristika gorivih ćelija je da pretvaraju hemijsku energiju goriva direktno u električnu energiju, toplotu i vodu.

Gorivne ćelije su visoko efikasne i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljični dioksid, metan i dušikov oksid. Jedine emisije iz gorivnih ćelija su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne oslobađa ako se kao gorivo koristi čisti vodonik. Gorivne ćelije se sklapaju u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Gorivne ćelije nemaju pokretne dijelove (barem ne unutar same ćelije) i stoga ne poštuju Carnotov zakon. To jest, oni će imati veću od 50% efikasnosti i posebno su efikasni pri malim opterećenjima. Dakle, vozila sa gorivnim ćelijama mogu postati (i već su se dokazala) efikasnija od konvencionalnih vozila u stvarnim uslovima vožnje.

Gorivna ćelija proizvodi električnu struju konstantnog napona koja se može koristiti za pogon elektromotora, rasvjete i drugih električnih sistema u vozilu.

Postoji nekoliko vrsta gorivnih ćelija, koje se razlikuju po hemijskim procesima koji se koriste. Gorivne ćelije se obično klasifikuju prema vrsti elektrolita koji koriste.

Neke vrste gorivnih ćelija su obećavajuće za pogon elektrana, dok su druge obećavajuće za prijenosne uređaje ili za vožnju automobila.

1. Alkalne gorivne ćelije (ALFC)

Alkalna gorivna ćelija- Ovo je jedan od prvih razvijenih elemenata. Alkalne gorivne ćelije (AFC) jedna su od najproučavanijih tehnologija koju NASA koristi od sredine 60-ih godina dvadesetog stoljeća u programima Apollo i Space Shuttle. Na brodu ovih svemirskih letjelica, gorivne ćelije proizvode električnu energiju i vodu za piće.

Alkalne gorivne ćelije su jedan od najefikasnijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, sa efikasnošću proizvodnje električne energije do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, vodeni rastvor kalijum hidroksida, koji se nalazi u poroznoj, stabilizovanoj matrici. Koncentracija kalijum hidroksida može varirati u zavisnosti od radne temperature gorivne ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nosač naboja u SHTE je hidroksilni jon (OH-), koji se kreće od katode do anode, gdje reaguje sa vodonikom, proizvodeći vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se na katodu, ponovo stvarajući hidroksilne jone tamo. Kao rezultat ove serije reakcija koje se odvijaju u gorivim ćelijama, proizvodi se električna energija i, kao nusproizvod, toplina:

Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Opšta reakcija sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Prednost SHTE je u tome što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od supstanci koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. Osim toga, SHTE rade na relativno niskim temperaturama i među najefikasnijim su.

Jedna od karakterističnih karakteristika SHTE-a je njegova visoka osjetljivost na CO2, koji može biti sadržan u gorivu ili zraku. CO2 reaguje sa elektrolitom, brzo ga truje i uveliko smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga je upotreba SHTE ograničena na zatvorene prostore, kao što su svemirska i podvodna vozila; oni rade na čistom vodoniku i kisiku.

2. Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatom (MCFC)

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom su gorive ćelije visoke temperature. Visoka radna temperatura omogućava direktnu upotrebu prirodnog gasa bez procesora goriva i niskokalorične vrednosti gorivog gasa iz industrijskih procesa i drugih izvora. Ovaj proces je razvijen sredinom 60-ih godina dvadesetog veka. Od tada, tehnologija proizvodnje, performanse i pouzdanost su poboljšani.

Rad RCFC-a se razlikuje od ostalih gorivnih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit napravljen od mješavine rastopljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste mješavina: litijum karbonat i kalijum karbonat ili litijum karbonat i natrijum karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stepena pokretljivosti jona u elektrolitu, gorive ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Efikasnost varira između 60-80%.

Kada se zagreju na temperaturu od 650°C, soli postaju provodnik za karbonatne jone (CO32-). Ovi ioni prelaze s katode na anodu, gdje se spajaju s vodikom i formiraju vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ovi elektroni se šalju kroz vanjski električni krug natrag do katode, generirajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Reakcija na anodi: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcija na katodi: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Opća reakcija elementa: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Prednost je mogućnost upotrebe standardnih materijala (limovi od nerđajućeg čelika i nikl katalizator na elektrodama). Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom. Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Upotreba visokih temperatura zahtijeva dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uvjeta, a sistem sporije reagira na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu instalacija gorivih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivne ćelije ugljičnim monoksidom, "trovanje" itd.

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom pogodne su za upotrebu u velikim stacionarnim instalacijama. Termoelektrane sa izlaznom električnom snagom od 2,8 MW se komercijalno proizvode. Razvijaju se instalacije izlazne snage do 100 MW.

3. Gorivne ćelije fosforne kiseline (PAFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline postale prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu. Ovaj proces je razvijen sredinom 60-ih godina dvadesetog vijeka, a ispitivanja se vrše od 70-ih godina dvadesetog stoljeća. Rezultat je povećana stabilnost i performanse i smanjeni troškovi.

Gorivne ćelije sa fosfornom (ortofosfornom) kiselinom koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H3PO4) u koncentracijama do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, pa se ove gorivne ćelije koriste na temperaturama do 150-220 °C.

Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se dešava u gorivnim ćelijama membrane za protonsku izmjenu (PEMFC), u kojima se vodonik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni putuju kroz elektrolit i kombinuju se sa kiseonikom iz vazduha na katodi i formiraju vodu. Elektroni se šalju kroz eksterno električno kolo, čime se stvara električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu struju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcija na katodi: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Opšta reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električne energije. Sa kombinovanom proizvodnjom toplotne i električne energije, ukupna efikasnost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina se može koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pod atmosferskim pritiskom.

Visoke performanse termoelektrana koje koriste gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Agregati koriste ugljen monoksid sa koncentracijom od oko 1,5%, što značajno proširuje izbor goriva. Jednostavan dizajn, nizak stepen isparljivosti elektrolita i povećana stabilnost su takođe prednosti ovakvih gorivnih ćelija.

Komercijalno se proizvode termoelektrane sa izlaznom električnom snagom do 400 kW. Instalacije snage 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se instalacije izlazne snage do 100 MW.

4. Gorivne ćelije sa protonskom izmjenom (PEMFC)

Gorivne ćelije sa protonskom izmjenom membrane smatraju se najboljom vrstom gorivnih ćelija za proizvodnju energije za vozila, koja mogu zamijeniti benzinske i dizel motore s unutrašnjim sagorijevanjem. Ove gorivne ćelije je prvi put koristila NASA za program Gemini. Razvijene su i demonstrirane instalacije na bazi MOPFC snage od 1 W do 2 kW.

Elektrolit u ovim gorivnim ćelijama je čvrsta polimerna membrana (tanki film od plastike). Kada je zasićen vodom, ovaj polimer dozvoljava protonima da prođu, ali ne provodi elektrone.

Gorivo je vodonik, a nosilac naboja je vodikov jon (proton). Na anodi, molekul vodonika se dijeli na vodikov jon (proton) i elektrone. Ioni vodika prolaze kroz elektrolit do katode, a elektroni se kreću po vanjskom krugu i proizvode električnu energiju. Kiseonik, koji se uzima iz vazduha, dovodi se do katode i kombinuje se sa elektronima i ionima vodonika i formira vodu. Na elektrodama se javljaju sljedeće reakcije: Reakcija na anodi: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcija na katodi: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Ukupna reakcija ćelije: 2H2 + O2 => 2H2O U poređenju sa drugim tipovima gorivne ćelije, gorive ćelije sa membranom za izmjenu protona proizvode više energije za datu zapreminu ili težinu gorivne ćelije. Ova karakteristika im omogućava da budu kompaktni i lagani. Osim toga, radna temperatura je manja od 100°C, što vam omogućava brz početak rada. Ove karakteristike, kao i sposobnost brze promjene izlazne energije, samo su neke koje ove gorivne ćelije čine glavnim kandidatom za upotrebu u vozilima.

Još jedna prednost je što je elektrolit čvrsta, a ne tečna. Lakše je zadržati plinove na katodi i anodi pomoću čvrstog elektrolita, pa su takve gorive ćelije jeftinije za proizvodnju. Sa čvrstim elektrolitom, nema problema sa orijentacijom i manje problema sa korozijom, što povećava dugovečnost ćelije i njenih komponenti.

5. Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorive ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu različitih vrsta goriva bez posebne prethodne obrade. Za rukovanje tako visokim temperaturama, elektrolit koji se koristi je tanak čvrsti metalni oksid na keramičkoj bazi, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik iona kisika (O2-). Tehnologija korištenja čvrstih oksidnih gorivnih ćelija razvija se od kasnih 50-ih godina dvadesetog stoljeća i ima dvije konfiguracije: planarnu i cijevnu.

Čvrsti elektrolit osigurava zapečaćeni prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je jon kiseonika (O2-). Na katodi se molekuli kisika iz zraka razdvajaju na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kiseonika prolaze kroz elektrolit i spajaju se sa vodonikom, stvarajući četiri slobodna elektrona. Elektroni se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Reakcija na anodi: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcija na katodi: O2 + 4e- => 2O2-

Opšta reakcija elementa: 2H2 + O2 => 2H2O

Efikasnost proizvodnje električne energije najveća je od svih gorivnih ćelija - oko 60%. Osim toga, visoke radne temperature omogućavaju kombiniranu proizvodnju toplinske i električne energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanje visokotemperaturne gorivne ćelije sa turbinom omogućava stvaranje hibridne gorivne ćelije za povećanje efikasnosti proizvodnje električne energije do 70%.

Čvrste oksidne gorive ćelije rade na vrlo visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira značajnim vremenom potrebnim za postizanje optimalnih radnih uslova i sporijim odgovorom sistema na promjene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za rekuperaciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima nastalim gasifikacijom uglja ili otpadnih gasova itd. Goriva ćelija je takođe odlična za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Komercijalno se proizvode moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

6. Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola (DOMFC)

Gorivne ćelije sa direktnom oksidacijom metanola Uspješno se koriste u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za kreiranje prijenosnih izvora napajanja, čemu je usmjerena buduća upotreba ovakvih elemenata.

Dizajn gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola sličan je dizajnu gorivih ćelija sa membranom za izmjenu protona (MEPFC), tj. Polimer se koristi kao elektrolit, a ion vodonika (proton) se koristi kao nosilac naboja. Ali tečni metanol (CH3OH) oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO2, vodikove ione i elektrone, koji se šalju kroz vanjski električni krug, stvarajući tako električnu struju. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.

Reakcija na anodi: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReakcija na katodi: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Opšta reakcija elementa: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Razvoj takvog gorivih ćelija se sprovodi od početka 90-ih godina dvadesetog veka i njihova specifična snaga i efikasnost povećani su na 40%.

Ovi elementi su testirani u temperaturnom opsegu od 50-120°C. Zbog svojih niskih radnih temperatura i odsustva potrebe za pretvaračem, takve gorive ćelije su glavni kandidati za upotrebu u mobilnim telefonima i drugim potrošačkim proizvodima, kao i u motorima automobila. Njihova prednost je i mala veličina.

7. Gorivne ćelije s polimernim elektrolitom (PEFC)

U slučaju gorivnih ćelija s polimernim elektrolitom, polimerna membrana se sastoji od polimernih vlakana sa vodenim područjima u kojima se provodljivi ioni vode H2O+ (proton, crveni) vezuju za molekul vode. Molekuli vode predstavljaju problem zbog spore izmjene jona. Zbog toga je potrebna visoka koncentracija vode i u gorivu i na izlaznim elektrodama, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

8. Čvrste kiselinske gorivne ćelije (SFC)

U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (CsHSO4) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO42 oksianiona omogućava protonima (crvenim) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselinskog spoja u sendviču između dvije elektrode koje su čvrsto stisnute jedna uz drugu kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, izlazeći kroz pore u elektrodama, održavajući mogućnost višestrukih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju elementa), elektrolita i elektroda.

9. Poređenje najvažnijih karakteristika gorivnih ćelija

Karakteristike gorivnih ćelija

Tip gorivne ćelije	Radna temperatura	Efikasnost proizvodnje električne energije	Vrsta goriva	Područje primjene
				Srednje i velike instalacije
			Čisti vodonik	instalacije
			Čisti vodonik	Male instalacije
			Većina ugljovodoničnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
				Prijenosni instalacije
			Čisti vodonik	Prostor istraživao
			Čisti vodonik	Male instalacije

10. Upotreba gorivnih ćelija u automobilima

U svjetlu nedavnih događaja vezanih za pregrijavanje, požare, pa čak i eksplozije prijenosnih računala zbog greške litijum-jonskih baterija, ne može se ne prisjetiti novih alternativnih tehnologija, koje će, prema mišljenju većine stručnjaka, u budućnosti moći dopuniti ili zamijeniti današnje tradicionalne punjive baterije. Riječ je o novim izvorima energije – gorivnim ćelijama.

Prema empirijskom zakonu koji je prije 40 godina formulisao jedan od osnivača Intela, Gordon Moore, performanse procesora se udvostručuju svakih 18 mjeseci. Baterije ne mogu pratiti čipove. Njihov kapacitet se, prema riječima stručnjaka, povećava samo za 10% godišnje.

Gorivna ćelija radi na bazi ćelijske (porozne) membrane koja razdvaja anodni i katodni prostor gorivne ćelije. Ova membrana je obostrano obložena odgovarajućim katalizatorima. Gorivo se dovodi do anode; u ovom slučaju se koristi otopina metanola (metil alkohol). Kao rezultat kemijske reakcije razgradnje goriva nastaju slobodni naboji koji prodiru kroz membranu do katode. Električni krug je tako zatvoren i u njemu se stvara električna struja koja napaja uređaj. Ova vrsta gorivih ćelija se zove Direktna gorivna ćelija metanola (DMFC). Razvoj gorivnih ćelija počeo je davno, ali prvi rezultati, koji su dali povoda da se priča o pravoj konkurenciji litijum-jonskih baterija, dobijeni su tek u poslednje dve godine.

U 2004. godini na tržištu je bilo oko 35 proizvođača ovakvih uređaja, ali samo nekoliko kompanija je moglo izjaviti značajan uspjeh u ovoj oblasti. U januaru je Fujitsu predstavio svoj razvoj - baterija je imala debljinu od 15 mm i sadržavala je 300 mg 30-postotnog rastvora metanola. Snaga od 15 W omogućila mu je da napaja laptop 8 sati. Mjesec dana kasnije, mala kompanija, PolyFuel, prva je najavila pokretanje komercijalne proizvodnje upravo onih membrana koje bi trebale biti opremljene izvorima napajanja gorivom. A već u martu, Toshiba je demonstrirala prototip mobilnog računara koji radi na gorivo. Proizvođač je naveo da takav laptop može trajati pet puta duže od laptopa koji koristi tradicionalnu bateriju.

LG Chem je 2005. godine najavio stvaranje vlastite gorivne ćelije. Na njegov razvoj potrošeno je oko 5 godina i 5 milijardi dolara. Kao rezultat toga, bilo je moguće kreirati uređaj snage 25 W i težine od 1 kg, povezan s laptopom preko USB sučelja i osiguravajući njegov rad 10 sati. I ovu 2006. godinu obilježio je niz zanimljivih događaja. Konkretno, američki programeri iz kompanije Ultracell demonstrirali su gorivu ćeliju koja daje snagu od 25 W i opremljena je sa tri zamjenjive patrone sa 67 posto metanola. Može da napaja laptop 24 sata. Težina baterije je bila oko kilogram, svaki uložak je težio oko 260 grama.

Osim što mogu pružiti veći kapacitet od litijum-jonskih baterija, metanolne baterije su neeksplozivne. Nedostaci uključuju njihovu prilično visoku cijenu i potrebu povremenog mijenjanja metanolnih uložaka.

Čak i ako baterije za gorivo ne zamijene tradicionalne, najvjerovatnije će se koristiti zajedno s njima. Prema procenama stručnjaka, tržište gorivnih ćelija u 2006. godini iznosiće oko 600 miliona dolara, što je prilično skromna brojka. Međutim, do 2010. godine stručnjaci predviđaju njegovo trostruko povećanje - do 1,9 milijardi dolara.

Diskusija o članku “Alkoholne baterije zamjenjuju litijumske”

zemoneng

Sranje, našla sam informaciju o ovom uređaju u ženskom časopisu.
Pa, reći ću nekoliko riječi o ovome:
1: neugodnost je što ćete nakon 6-10 sati rada morati tražiti novi uložak, koji je skup. Zašto bih trošio novac na ove gluposti?
2: koliko sam shvatio, nakon primanja energije iz metil alkohola, voda bi se trebala osloboditi. Laptop i voda su nespojive stvari.
3: zašto pišeš u ženskim časopisima? Sudeći po komentarima “Ne znam ništa.” i “Šta je ovo?”, ovaj članak nije na nivou sajta posvećenog LJEPOTAMA.