Vložím armatúru plniacej hadice do plniaceho hrdla paliva a otočím ju o pol otáčky, aby sa spoj utesnil. Cvaknutie prepínača a blikanie LED na čerpacej stanici s obrovským nápisom h3 signalizuje, že tankovanie začalo. O minútu - a nádrž je plná, môžete ísť!

Elegantné kontúry karosérie, ultranízke odpruženie, nízkoprofilové slicky dodávajú skutočné pretekárske plemeno. Cez priehľadný kryt môžete vidieť zložitosť potrubí a káblov. Niekde som už podobné riešenie videl ... Ach áno, na Audi R8 je motor vidieť aj cez zadné sklo. Ale na Audi je to tradičný benzín a toto auto jazdí na vodík. Rovnako ako BMW Hydrogen 7, ale na rozdiel od druhého tu nie je žiadny spaľovací motor. Jedinými pohyblivými časťami sú prevodovka riadenia a rotor elektromotora. A energiu mu dodáva palivový článok. Toto auto vydala singapurská spoločnosť Horizon Fuel Cell Technologies, ktorá sa špecializuje na vývoj a výrobu palivových článkov. Britská spoločnosť Riversimple už v roku 2009 predstavila mestský vodíkový automobil poháňaný palivovými článkami Horizon Fuel Cell Technologies. Bol vyvinutý v spolupráci s univerzitami v Oxforde a Cranfielde. Ale Horizon H-racer 2.0 je samostatný vývoj.

Palivový článok pozostáva z dvoch poréznych elektród potiahnutých vrstvou katalyzátora a oddelených protónovou výmennou membránou. Vodík na anódovom katalyzátore sa premieňa na protóny a elektróny, ktoré cez anódu a vonkajší elektrický obvod prichádzajú ku katóde, kde sa vodík a kyslík rekombinujú za vzniku vody.

"Choď!" - po gagarinovskom štýle ma šťuchne lakťom šéfredaktor. Ale nie tak rýchlo: najprv musíte „zahriať“ palivový článok pri čiastočnom zaťažení. Prepnem prepínač do režimu „zahrievania“ („zahrievanie“) a čakám na určený čas. Potom pre každý prípad doplním nádrž naplno. Teraz poďme: stroj, ktorý hladko bzučí motorom, sa pohybuje vpred. Dynamika je pôsobivá, aj keď, však, čo iné od elektromobilu čakať – moment je konštantný pri akejkoľvek rýchlosti. Aj keď nie na dlho - plná nádrž vodíka vydrží len pár minút (Horizon sľubuje vydanie novej verzie v blízkej budúcnosti, v ktorej sa vodík neuchováva ako stlačený plyn, ale drží ho porézny materiál v adsorbéri) . Áno, a ovláda sa, úprimne povedané, nie veľmi dobre - na diaľkovom ovládači sú len dve tlačidlá. Ale v každom prípade je škoda, že ide len o rádiom ovládanú hračku, ktorá nás stála 150 dolárov. Nevadilo by nám riadiť skutočné auto na palivové články ako elektráreň.

Nádrž, elastická gumová nádoba vo vnútri pevného puzdra, sa pri tankovaní natiahne a funguje ako palivové čerpadlo, ktoré „vtláča“ vodík do palivového článku. Aby nedošlo k „doplneniu“ nádrže, je jedna z armatúr pripojená plastovou hadičkou k núdzovému pretlakovému ventilu.

Plniaci stĺpec

Urob si sám

Horizon H-racer 2.0 prichádza ako SKD (do-it-yourself) kit, kúpiť si ho môžete napríklad na Amazone. Zmontovať ho však nie je náročné – stačí nasadiť palivový článok a upevniť ho skrutkami, pripojiť hadičky k vodíkovej nádrži, palivovému článku, plniacemu hrdlu a núdzovému ventilu a už zostáva len nasadiť hornú časť tela na mieste, nezabúda sa ani na predný a zadný nárazník. Súprava sa dodáva s čerpacou stanicou, ktorá prijíma vodík elektrolýzou vody. Je napájaný dvomi AA batériami a ak chcete, aby bola energia úplne „čistá“ - zo solárnych panelov (sú tiež súčasťou).

www.popmech.ru

Ako vyrobiť palivový článok vlastnými rukami?

Samozrejme, najjednoduchším riešením problému zabezpečenia nepretržitej prevádzky bezpalivových systémov je kúpa hotového sekundárneho zdroja energie na hydraulickej alebo inej báze, ale v tomto prípade sa tomu určite nebude dať vyhnúť. dodatočné náklady a v tomto procese je dosť ťažké zvážiť akýkoľvek nápad na útek tvorivého myslenia. Okrem toho nie je výroba palivového článku vlastnými rukami vôbec taká ťažká, ako by ste si na prvý pohľad mohli myslieť, a ak je to žiaduce, aj ten najneskúsený majster sa s touto úlohou dokáže vyrovnať. Navyše, viac ako príjemným bonusom budú nízke náklady na vytvorenie tohto prvku, pretože napriek všetkým jeho výhodám a dôležitosti bude absolútne bezpečné vystačiť si s dostupnými improvizovanými prostriedkami.

Zároveň jedinou nuansou, ktorú je potrebné vziať do úvahy pred dokončením úlohy, je to, že si môžete vyrobiť zariadenie s extrémne nízkou spotrebou energie vlastnými rukami a implementácia pokročilejších a komplexnejších inštalácií by mala byť stále ponechaná na kvalifikovaných odborníkov. . Pokiaľ ide o poradie práce a postupnosť akcií, v prvom rade by sa malo dokončiť puzdro, pre ktoré je najlepšie použiť hrubostenné plexisklo (najmenej 5 centimetrov). Na lepenie stien puzdra a montáž vnútorných priečok, na ktoré je najlepšie použiť tenšie plexisklo (stačia 3 milimetre), je ideálne použiť dvojkompozitné lepidlo, aj keď pri silnej túžbe je možné kvalitné spájkovanie urobené nezávisle s použitím nasledujúcich pomerov: na 100 gramov chloroformu - 6 gramov hoblín z rovnakého plexiskla.

V tomto prípade sa proces musí vykonávať výlučne pod kapotou. Aby bolo možné puzdro vybaviť takzvaným odtokovým systémom, je potrebné v jeho prednej stene opatrne vyvŕtať priechodný otvor, ktorého priemer bude presne zodpovedať rozmerom gumenej zátky, ktorá slúži ako akési tesnenie medzi puzdro a sklenenú odtokovú trubicu. Čo sa týka rozmerov samotnej rúrky, ideálne je zabezpečiť jej šírku rovnú päť alebo šesť milimetrov, aj keď všetko závisí od typu navrhovanej konštrukcie. Je pravdepodobnejšie, že potenciálni čitatelia tohto článku budú trochu prekvapení starou plynovou maskou uvedenou v zozname potrebných prvkov na výrobu palivového článku. Medzitým celá výhoda tohto zariadenia spočíva v aktívnom uhlí umiestnenom v priehradkách jeho respirátora, ktoré možno neskôr použiť ako elektródy.

Keďže hovoríme o práškovej konzistencii, na vylepšenie dizajnu budete potrebovať nylonové pančuchy, z ktorých si ľahko vyrobíte vrecúško a dáte tam uhlie, inak sa vám z diery jednoducho vysype. Pokiaľ ide o funkciu distribúcie, palivo sa sústreďuje v prvej komore, zatiaľ čo kyslík potrebný na normálne fungovanie palivového článku bude naopak cirkulovať v poslednej, piatej komore. Samotný elektrolyt, ktorý sa nachádza medzi elektródami, by mal byť napustený špeciálnym roztokom (benzín s parafínom v pomere 125 až 2 mililitre), a to ešte pred umiestnením vzduchového elektrolytu do štvrtého oddelenia. Na zabezpečenie správnej vodivosti sú na uhlie položené medené platne s predspájkovanými drôtmi, cez ktoré sa bude prenášať elektrina z elektród.

Túto fázu návrhu možno bezpečne považovať za konečnú, po ktorej sa nabije hotové zariadenie, pre ktoré je potrebný elektrolyt. Na jeho prípravu je potrebné zmiešať rovnaké diely etylalkoholu s destilovanou vodou a postupovať s postupným zavádzaním hydroxidu draselného rýchlosťou 70 gramov na pohár kvapaliny. Prvá skúška vyrobeného zariadenia spočíva v súčasnom plnení prvej (palivová kvapalina) a tretej (elektrolyt vyrobený z etylalkoholu a lúhu draselného) nádoby plexiskla.

www.uznay-kak.ru

Vodíkové palivové články | LAVENT

Dlho som vám chcel povedať o ďalšom smerovaní spoločnosti Alfaintek. Ide o vývoj, predaj a servis vodíkových palivových článkov. Chcem okamžite vysvetliť situáciu s týmito palivovými článkami v Rusku.

Vzhľadom na pomerne vysoké náklady a úplnú absenciu vodíkových staníc na nabíjanie týchto palivových článkov sa neočakáva ich predaj v Rusku. Napriek tomu v Európe, najmä vo Fínsku, si tieto palivové články získavajú každým rokom obľubu. v čom spočíva tajomstvo? Poďme sa pozrieť. Toto zariadenie je šetrné k životnému prostrediu, ľahko ovládateľné a efektívne. Prichádza na pomoc človeku tam, kde potrebuje elektrickú energiu. Môžete si ho vziať so sebou na cesty, na túru, využiť ho na vidieku, v byte ako autonómny zdroj elektrickej energie.

Elektrina v palivovom článku vzniká chemickou reakciou vodíka z valca s hydridom kovu a kyslíkom zo vzduchu. Valec nie je výbušný a môže byť uložený vo vašej skrini roky a čakať v krídlach. To je možno jedna z hlavných výhod tejto technológie skladovania vodíka. Práve skladovanie vodíka je jedným z hlavných problémov pri vývoji vodíkového paliva. Jedinečné nové ľahké palivové články, ktoré premieňajú vodík na konvenčnú elektrinu bezpečným, tichým a bezemisným spôsobom.

Tento typ elektriny je možné použiť na miestach, kde nie je centrálna elektrina, alebo ako núdzový zdroj energie.

Na rozdiel od bežných batérií, ktoré je potrebné počas nabíjania nabíjať a zároveň odpájať od odberateľa elektriny, funguje palivový článok ako „inteligentné“ zariadenie. Táto technológia poskytuje neprerušovaný výkon počas celej doby používania vďaka jedinečnej funkcii udržiavania výkonu pri výmene palivovej nádrže, čo umožňuje užívateľovi nikdy nevypnúť spotrebič. V uzavretom puzdre je možné palivové články skladovať niekoľko rokov bez straty vodíka a zníženia ich výkonu.

Palivový článok je určený pre vedcov a výskumníkov, orgány činné v trestnom konaní, plavčíkov, majiteľov lodí a prístavov a každého, kto potrebuje spoľahlivý zdroj energie v prípade núdze. Môžete získať napätie 12 voltov alebo 220 voltov a potom budete mať dostatok energie na používanie televízora, stereo systému, chladničky, kávovaru, rýchlovarnej kanvice, vysávača, vŕtačky, mikrosporáka a iných elektrospotrebičov.

Hydročlánkové palivové články sa môžu predávať ako jeden celok alebo ako batérie s 2-4 článkami. Dva alebo štyri prvky môžu byť kombinované buď na zvýšenie výkonu alebo zvýšenie prúdu.

PREVÁDZKOVÁ DOBA DOMÁCICH SPOTREBIČOV S PALIVOVÝMI ČLÁNKAMI

	Elektrické spotrebiče	Pracovný čas za deň (min.)	Zápory. výkon za deň (W*h)	Prevádzková doba s palivovými článkami
	Rýchlovarná kanvica
	Kávovar
	Mikroplatnička
	TV
	1 žiarovka 60W
	1 žiarovka 75W
	3 žiarovky 60W
	počítačový prenosný počítač
	Chladnička
	Úsporná žiarivka

* - nepretržitá práca

Palivové články sa plne nabíjajú na špeciálnych vodíkových staniciach. Čo však v prípade, že cestujete ďaleko od nich a nemáte možnosť sa dobiť? Špeciálne pre takéto prípady vyvinuli špecialisti Alfaintek valce na skladovanie vodíka, s ktorými budú palivové články pracovať oveľa dlhšie.

Vyrábajú sa dva typy fliaš: NS-MN200 a NS-MN1200 Zostavený NS-MN200 má veľkosť o niečo väčšiu ako plechovka Coca-Coly, pojme 230 litrov vodíka, čo zodpovedá 40Ah (12V) a váži len 2,5 kg .Fľaša s hydridom kovu NS-MH1200 pojme 1200 litrov vodíka, čo zodpovedá 220Ah (12V). Hmotnosť valca je 11 kg.

Technika metalhydridu je bezpečný a jednoduchý spôsob skladovania, prepravy a používania vodíka. Pri skladovaní ako hydrid kovu je vodík skôr vo forme chemickej zlúčeniny ako v plynnej forme. Táto metóda umožňuje získať dostatočne vysokú hustotu energie. Výhodou použitia metalhydridu je, že tlak vo fľaši je len 2-4 bary.Valša nie je výbušná a možno ju skladovať roky bez zmenšenia objemu látky. Pretože vodík je uložený ako hydrid kovu, čistota vodíka získaného z valca je veľmi vysoká, 99,999 %. Vodíkové zásobníky vo forme hydridu kovu je možné použiť nielen s palivovými článkami HC 100 200 400, ale aj v iných prípadoch, kde je potrebný čistý vodík. Fľaše sa dajú jednoducho pripojiť k palivovému článku alebo inému zariadeniu pomocou rýchlospojky a flexibilnej hadice.

Škoda, že sa tieto palivové články nepredávajú v Rusku. Ale medzi našou populáciou je toľko ľudí, ktorí ich potrebujú. No, počkáme a uvidíme, pozriete sa a budeme mať. Dovtedy budeme nakupovať štátom nariadené úsporné žiarovky.

P.S. Zdá sa, že téma konečne upadla do zabudnutia. Toľko rokov po napísaní tohto článku nič nevyšlo. Možno, samozrejme, nepozerám všade, ale to, čo mi padne do oka, vôbec nepoteší. Technológia a nápad je dobrý, ale vývoj sa zatiaľ nenašiel.

lavent.ru

Palivový článok je budúcnosť, ktorá začína už dnes!

Začiatok 21. storočia považuje ekológiu za jednu z najdôležitejších úloh sveta. A prvá vec, na ktorú treba za súčasných podmienok dbať, je hľadanie a využívanie alternatívnych zdrojov energie. Práve oni sú schopní zabrániť znečisťovaniu životného prostredia okolo nás, ako aj úplne upustiť od neustále rastúcich cien palív na báze uhľovodíkov.

Už dnes sa využívajú zdroje energie ako solárne články a veterné turbíny. Ale, bohužiaľ, ich nedostatok je spojený so závislosťou od počasia, ako aj od ročného obdobia a dennej doby. Z tohto dôvodu sa postupne upúšťa od ich používania v kozmonautike, leteckom a automobilovom priemysle a pre stacionárne použitie sú vybavené sekundárnymi zdrojmi energie – batériami.

Najlepším riešením je však palivový článok, pretože nevyžaduje neustále dobíjanie energie. Ide o zariadenie, ktoré je schopné spracovať a premeniť rôzne druhy palív (benzín, alkohol, vodík atď.) priamo na elektrickú energiu.

Palivový článok funguje na nasledujúcom princípe: zvonku sa dodáva palivo, ktoré sa oxiduje kyslíkom a uvoľnená energia sa v tomto prípade premieňa na elektrinu. Tento princíp fungovania zabezpečuje takmer večnú prevádzku.

Od konca 19. storočia vedci skúmali priamo palivový článok a neustále vyvíjali jeho nové modifikácie. Takže dnes v závislosti od prevádzkových podmienok existujú alkalické alebo alkalické (AFC), priame borohydráty (DBFC), elektrogalvanické (EGFC), priame metanolové (DMFC), zinok-vzduch (ZAFC), mikrobiálne (MFC), Známe sú aj modely kyseliny mravčej (DFAFC) a kovového hydridu (MHFC).

Jedným z najsľubnejších je vodíkový palivový článok. Využitie vodíka v elektrárňach je sprevádzané výrazným uvoľňovaním energie a výfukom takéhoto zariadenia je čistá vodná para alebo pitná voda, ktorá nepredstavuje žiadnu hrozbu pre životné prostredie.

Úspešné testovanie palivových článkov tohto typu na kozmických lodiach vzbudilo v poslednom čase značný záujem medzi výrobcami elektroniky a rôznych zariadení. PolyFuel napríklad predstavil miniatúrny vodíkový palivový článok pre notebooky. Ale príliš vysoké náklady na takéto zariadenie a ťažkosti s jeho neobmedzeným tankovaním obmedzujú priemyselnú výrobu a širokú distribúciu. Honda už viac ako 10 rokov vyrába aj automobilové palivové články. Tento druh dopravy však nejde do predaja, ale len na oficiálne použitie pre zamestnancov firmy. Autá sú pod dohľadom inžinierov.

Mnohí sa pýtajú, či je možné zostaviť palivový článok vlastnými rukami. Koniec koncov, významnou výhodou domáceho zariadenia bude malá investícia, na rozdiel od priemyselného modelu. Na miniatúrny model budete potrebovať 30 cm poplatinovaného niklového drôtu, malý kúsok plastu alebo dreva, sponu na 9-voltovú batériu a samotnú batériu, priehľadnú lepiacu pásku, pohár s vodou a voltmeter. Takéto zariadenie vám umožní vidieť a pochopiť podstatu práce, ale, samozrejme, nebude fungovať na výrobu elektriny pre auto.

fb.ru

Vodíkové palivové články: trochu histórie | Vodík

V našej dobe je problém nedostatku tradičných energetických zdrojov a zhoršenia ekológie planéty ako celku v dôsledku ich využívania obzvlášť akútny. Preto sa v posledných rokoch vynakladajú značné finančné a intelektuálne zdroje na vývoj potenciálne perspektívnych náhrad za uhľovodíkové palivá. Vodík sa môže stať takouto náhradou vo veľmi blízkej budúcnosti, pretože jeho použitie v elektrárňach je sprevádzané uvoľňovaním veľkého množstva energie a výfukové plyny sú vodná para, to znamená, že nepredstavujú nebezpečenstvo pre životné prostredie.

Napriek niektorým technickým ťažkostiam, ktoré stále existujú pri zavádzaní palivových článkov na báze vodíka, mnohí výrobcovia automobilov ocenili prísľub tejto technológie a už aktívne vyvíjajú prototypy sériovo vyrábaných vozidiel schopných využívať vodík ako hlavné palivo. Ešte v roku 2011 predstavil Daimler AG koncepčné modely Mercedes-Benz s vodíkovými elektrárňami. Kórejská spoločnosť Hyndayi navyše oficiálne oznámila, že už nemieni vyvíjať elektromobily a všetko úsilie sústredí na vývoj cenovo dostupného vodíkového auta.

Hoci myšlienka využitia vodíka ako paliva nie je pre mnohých divoká, väčšina z nich nechápe, ako vodíkové palivové články fungujú a čo je na nich také pozoruhodné.

Aby sme pochopili dôležitosť technológie, navrhujeme obrátiť sa na históriu vodíkových palivových článkov.

Prvý človek, ktorý opísal potenciál využitia vodíka v palivovom článku, bol Nemec Christian Friedrich. Ešte v roku 1838 publikoval svoju prácu v známom vedeckom časopise tej doby.

Hneď nasledujúci rok vytvoril porotca z Ouls, Sir William Robert Grove, prototyp fungujúcej vodíkovej batérie. Výkon prístroja bol však aj na vtedajšie pomery príliš malý, takže o jeho praktickom využití nemohlo byť ani reči.

Pokiaľ ide o pojem „palivový článok“, za svoju existenciu vďačí vedcom Ludwigovi Mondovi a Charlesovi Langerovi, ktorí sa v roku 1889 pokúsili vytvoriť palivový článok na vzduch a koksárenský plyn. Podľa iných tento termín prvýkrát použil William White Jaques, ktorý sa ako prvý rozhodol použiť v elektrolyte kyselinu fosforečnú.

V 20. rokoch 20. storočia sa v Nemecku uskutočnilo množstvo štúdií, ktorých výsledkom bol objav palivových článkov s pevným oxidom a spôsobov využitia karbonátového cyklu. Je pozoruhodné, že tieto technológie sa v našej dobe efektívne využívajú.

V roku 1932 začal inžinier Francis T Bacon pracovať na štúdiu priamych palivových článkov na báze vodíka. Pred ním vedci použili zavedenú schému - porézne platinové elektródy boli umiestnené v kyseline sírovej. Zjavná nevýhoda takejto schémy spočíva predovšetkým v jej neodôvodnených vysokých nákladoch v dôsledku použitia platiny. Okrem toho používanie žieravej kyseliny sírovej predstavovalo hrozbu pre zdravie a niekedy aj život výskumníkov. Bacon sa rozhodol optimalizovať obvod a nahradil platinu niklom a ako elektrolyt použil alkalické zloženie.

Vďaka produktívnej práci na zdokonaľovaní svojej technológie predstavil Bacon už v roku 1959 širokej verejnosti svoj originálny vodíkový palivový článok s výkonom 5 kW a mohol poháňať zvárací stroj. Prezentované zariadenie nazval „Bacon Cell“.

V októbri toho istého roku vznikol unikátny traktor, ktorý poháňal vodík a produkoval dvadsať koní.

V šesťdesiatych rokoch dvadsiateho storočia bola americká spoločnosť General Electric, schéma vyvinutá Baconom, vylepšená a aplikovaná na vesmírne programy Apollo a NASA Gemini. Špecialisti z NASA prišli na to, že použitie jadrového reaktora je príliš drahé, technicky náročné a nebezpečné. Okrem toho bolo potrebné upustiť od používania batérií so solárnymi panelmi pre ich veľké rozmery. Riešením problému boli vodíkové palivové články, ktoré sú schopné zásobovať vesmírnu loď energiou a jej posádku čistou vodou.

Prvý autobus využívajúci vodík ako palivo bol vyrobený v roku 1993. A prototypy osobných áut poháňaných vodíkovými palivovými článkami už v roku 1997 predstavili také svetové automobilové značky ako Toyota a Daimler Benz.

Je trochu zvláštne, že sľubné ekologické palivo, implementované pred pätnástimi rokmi do auta, sa ešte nerozšírilo. Existuje na to veľa dôvodov, z ktorých hlavné sú možno politická a náročnosť pri vytváraní vhodnej infraštruktúry. Dúfajme, že vodík bude mať ešte svoje slovo a bude výraznou konkurenciou elektromobilov.(odnaknopka)

energycraft.org

Vytvorené 14.07.2012 20:44 Autor: Alexey Norkin

Naša materiálna spoločnosť bez energie sa nemôže nielen rozvíjať, ale ani vo všeobecnosti existovať. Odkiaľ pochádza energia? Donedávna ľudia používali len jeden spôsob, ako ho získať, bojovali sme s prírodou, vyťažené trofeje sme pálili v ohniskách najskôr doma, potom v parných lokomotívach a silných tepelných elektrárňach.

Neexistujú žiadne štítky na kilowatthodinách spotrebovaných moderným laikom, ktoré by naznačovali, koľko rokov príroda pracovala, aby si civilizovaný človek mohol užívať výhody technológie, a koľko rokov ešte musí pracovať na zmiernení škôd spôsobených ju takou civilizáciou. V spoločnosti však dozrieva pochopenie, že iluzórna idylka skôr či neskôr skončí. Ľudia čoraz častejšie vymýšľajú spôsoby, ako zabezpečiť energiu pre svoje potreby s minimálnym poškodením prírody.

Vodíkové palivové články sú svätým grálom čistej energie. Spracúvajú vodík, jeden zo spoločných prvkov periodickej tabuľky, a emitujú iba vodu, najbežnejšiu látku na planéte. Ružový obraz kazí nedostatočný prístup ľudí k vodíku ako látke. Je ho veľa, ale len vo viazanom stave a je oveľa náročnejšie ho vyťažiť, ako odčerpať ropu z útrob alebo vydolovať uhlie.

Jednou z možností čistej a ekologickej výroby vodíka sú mikrobiálne palivové články (MTB), ktoré pomocou mikroorganizmov rozkladajú vodu na kyslík a vodík. Ani tu nie je všetko hladké. Mikróby odvádzajú vynikajúcu prácu pri výrobe čistého paliva, ale na dosiahnutie účinnosti požadovanej v praxi potrebuje MTB katalyzátor, ktorý urýchľuje jednu z chemických reakcií procesu.

Týmto katalyzátorom je drahý kov platina, ktorého cena robí používanie MTB ekonomicky neopodstatneným a prakticky nemožným.

Vedci z University of Wisconsin-Milwaukee našli náhradu za drahý katalyzátor. Namiesto platiny navrhli použitie lacných nanorút vyrobených z kombinácie uhlíka, dusíka a železa. Nový katalyzátor pozostáva z grafitových tyčiniek s dusíkom zavedeným do povrchovej vrstvy a jadier z karbidu železa. Počas trojmesačného testovania novinky preukázal katalyzátor vyššie schopnosti ako má platina. Prevádzka nanorúd sa ukázala byť stabilnejšia a kontrolovateľnejšia.

A čo je najdôležitejšie, nápad univerzitných vedcov je oveľa lacnejší. Náklady na platinové katalyzátory teda predstavujú približne 60 % nákladov na MTB, zatiaľ čo náklady na nanorúty sú 5 % ich súčasnej ceny.

Podľa tvorcu katalytických nanorúd, profesora Yuhong Chena (Junhong Chen): „Palivové články sú schopné priamo premieňať palivo na elektrinu. Spolu s nimi možno elektrinu z obnoviteľných zdrojov dodávať tam, kde je to potrebné, čo je čisté, efektívne a udržateľné.“

Teraz je profesor Chen a jeho tím výskumníkov zaneprázdnený štúdiom presných charakteristík katalyzátora. Ich cieľom je dať svojmu vynálezu praktické zameranie, aby bol vhodný pre sériovú výrobu a použitie.

Podľa Gizmag

www.facepla.net

Vodíkové palivové články a energetické systémy

Auto poháňané vodou sa možno čoskoro stane realitou a vodíkové palivové články budú inštalované v mnohých domácnostiach...

Technológia vodíkových palivových článkov nie je nová. Začalo to v roku 1776, keď Henry Cavendish prvýkrát objavil vodík pri rozpúšťaní kovov v zriedených kyselinách. Prvý vodíkový palivový článok vynašiel už v roku 1839 William Grove. Odvtedy sa vodíkové palivové články postupne zdokonaľovali a dnes sa inštalujú do raketoplánov, dodávajú im energiu a slúžia ako zdroj vody. V súčasnosti je technológia vodíkových palivových článkov na pokraji dosiahnutia masového trhu v automobiloch, domácnostiach a prenosných zariadeniach.

Vo vodíkovom palivovom článku sa chemická energia (vo forme vodíka a kyslíka) premieňa priamo (bez spaľovania) na elektrickú energiu. Palivový článok pozostáva z katódy, elektród a anódy. Vodík sa privádza do anódy, kde sa rozdelí na protóny a elektróny. Protóny a elektróny majú rôzne cesty ku katóde. Protóny putujú cez elektródu ku katóde a elektróny putujú okolo palivových článkov, aby sa dostali ku katóde. Tento pohyb vytvára následne využiteľnú elektrickú energiu. Na druhej strane sa vodíkové protóny a elektróny spájajú s kyslíkom a vytvárajú vodu.

Elektrolyzéry sú jedným zo spôsobov, ako extrahovať vodík z vody. Tento proces je v podstate opačný, ako keď funguje vodíkový palivový článok. Elektrolyzér pozostáva z anódy, elektrochemického článku a katódy. Voda a napätie sú privedené na anódu, ktorá rozdeľuje vodu na vodík a kyslík. Vodík prechádza elektrochemickým článkom ku katóde a kyslík je privádzaný priamo ku katóde. Odtiaľ je možné extrahovať a skladovať vodík a kyslík. V časoch, keď nie je potrebné vyrábať elektrickú energiu, môže byť nahromadený plyn vytiahnutý zo zásobníka a vedený späť cez palivový článok.

Tento systém využíva ako palivo vodík, zrejme preto koluje veľa mýtov o jeho bezpečnosti. Po výbuchu Hindenburgu sa mnohí ľudia ďaleko od vedy a dokonca aj niektorí vedci začali domnievať, že používanie vodíka je veľmi nebezpečné. Nedávny výskum však ukázal, že príčinou tejto tragédie bol druh materiálu, ktorý bol použitý pri konštrukcii, a nie vodík, ktorý bol napumpovaný dovnútra. Po vykonaní testov bezpečnosti skladovania vodíka sa zistilo, že skladovanie vodíka v palivových článkoch je bezpečnejšie ako skladovanie benzínu v palivovej nádrži auta.

Koľko stoja moderné vodíkové palivové články? Spoločnosti v súčasnosti ponúkajú vodíkové palivové systémy na výrobu energie za približne 3 000 dolárov za kilowatt. Prieskum trhu zistil, že keď náklady klesnú na 1 500 USD za kilowatt, spotrebitelia na trhu s hromadnou energiou budú pripravení prejsť na tento typ paliva.

Vozidlá s vodíkovými palivovými článkami sú stále drahšie ako vozidlá so spaľovacím motorom, no výrobcovia hľadajú spôsoby, ako dostať cenu na porovnateľnú úroveň. V niektorých odľahlých oblastiach, kde nie sú elektrické vedenia, môže byť teraz používanie vodíka ako paliva alebo autonómneho zdroja energie v domácnostiach ekonomickejšie ako napríklad budovanie infraštruktúry pre tradičné energetické nosiče.

Prečo sa vodíkové palivové články stále veľmi nepoužívajú? V súčasnosti je hlavným problémom distribúcie vodíkových palivových článkov ich vysoká cena. Vodíkové palivové systémy jednoducho v súčasnosti nemajú masový dopyt. Veda však nestojí a v blízkej budúcnosti sa auto jazdiace po vode môže stať skutočnou realitou.

www.tesla-tehnika.biz

Príbeh

Prvý prvok bol, zdá sa, vyrobený z olova z ruskej (to je dôležité) jednoduchej ceruzky a telom bol korok od piva. To všetko sa kúrilo na kuchynskom sporáku. Elektrolytom bol prášok na čistenie rúr Digger, čo je podľa štítku NaOH. Keďže sa mi podarilo získať nejaký prúd, myslel som si, že takýto prvok by pravdepodobne mohol naozaj fungovať. Plechovky začali vytekať vo švíkoch (spájka skorodovaná alkáliami) a ani si nepamätám, aké boli výsledky. Pre vážnejšiu skúsenosť som si kúpil nerezový podvodník. Nič sa jej však nestalo. Nielenže bolo napätie len 0,5 voltu, ale bolo aj nasmerované nesprávnym smerom. Ukázalo sa tiež, že uhlíky z ceruziek sa veľmi radi rozpadávajú na svoje súčasti. Zjavne nie sú vyrobené z jedného kryštálu grafitu, ale sú zlepené od prachu. Rovnaký osud postihol aj prúty z prstových batérií. Kúpili sa aj kefy z niektorých elektromotorov, no miesta, kde do kefy vstupuje olovený drôt, rýchlo schátrali. Okrem toho sa ukázalo, že jeden pár kefiek obsahuje meď alebo iný kov (to sa stáva pri kefách).

Po silnom poškriabaní hlavy som sa rozhodol, že pre spoľahlivosť by bolo lepšie vyrobiť nádobu zo striebra a kus uhlia - podľa technológie, ktorú opísal Jaco, t.j. spekaním. Striebro stojí mierne peniaze (ceny kolíšu, ale niekde okolo 10-20 rubľov za gram). Videl som čaj, ktorý stojí oveľa viac.

Je známe, že striebro je stabilné v tavenine NaOH, zatiaľ čo železo poskytuje železitany, napríklad Na2FeO4. Keďže vo všeobecnosti má železo premenlivú mocnosť, jeho ióny môžu spôsobiť "skrat" v prvku, aspoň teoreticky. Preto som sa rozhodol najskôr skontrolovať strieborné puzdro, pretože je jednoduchšie. Najprv sa kúpila kupronikel postriebrená lyžica a pri testovaní kefami sa okamžite ukázalo 0,9 V otvoreného obvodu s požadovanou polaritou, ako aj pomerne veľký prúd. Následne (nie prakticky, ale teoreticky) sa ukázalo, že striebro je možné rozpustiť aj v zásadách za prítomnosti peroxidu sodného Na2O2, ktorý v určitých množstvách vzniká pri fúkaní vzduchu. Či sa to deje v živle alebo pod ochranou uhlíka, striebro je bezpečné - neviem.

Lyžica dlho nevydržala. Strieborná vrstva napuchla a prestala fungovať. Kupronikel je nestabilný v zásadách (ako väčšina materiálov na svete). Potom som vyrobil špeciálne sklo zo striebornej mince, na ktorej bol dosiahnutý rekordný výkon 0,176 wattu.

To všetko sa dialo v obyčajnom mestskom byte, v kuchyni. Nikdy som sa nepopálil, nezaložil som oheň a iba raz som rozlial roztavenú alkáliu na sporák (smalt bol okamžite skorodovaný). Použitý nástroj bol najjednoduchší. Ak sa vám podarí zistiť správny typ železa a správne zloženie elektrolytu, tak si takýto prvok dokáže vyrobiť na kolene každý nie úplne bezruký.

V roku 2008 vzniklo niekoľko „správnych druhov železa“. Napríklad potravinársky nerez, plechovky, elektroocele pre magnetické obvody, ale aj nízkouhlíkové ocele - st1ps, st2ps. Čím menej uhlíka, tým lepší výkon. Zdá sa, že nehrdzavejúca oceľ funguje horšie ako čisté železo (mimochodom, je oveľa drahšie). "Nórske plechové" železo, to je tiež švédske - to je železo, ktoré bolo vyrobené kvitnúcim spôsobom vo Švédsku na drevenom uhlí a neobsahovalo viac ako 0,04% uhlíka. Teraz takýto nízky obsah uhlíka možno nájsť len v elektrooceľiach. Asi najlepšie je vyrábať poháre razením z plechu z elektroocele

Výroba strieborného pohára

V roku 2008 sa ukázalo, že dobre funguje aj železný pohár, tak odstraňujem všetko, čo sa dotýka strieborného pohára. Bolo to zaujímavé, ale teraz je to nepodstatné.

Môžete skúsiť použiť grafit. Ale nemal som čas. Požiadal som svoju tetu vodičku o klaksón na trolejbus, ale to už bol koniec môjho experimentálneho eposu. Vyskúšať môžete aj kefy z motorov, no často sú s meďou, čo narúša čistotu experimentu. Mal som dve možnosti pre kefy, jedna sa ukázala ako medená. Ceruzky nedávajú žiadny výsledok, pretože majú malú plochu a je nepohodlné z nich odoberať prúd. Batérie v lúhu sa rozpadajú
(niečo sa stane so spojivom). Všeobecne povedané, grafit je najhoršie palivo pre prvok, as je chemicky najodolnejší. Elektródu preto vyrábame „poctivo“. Vezmeme drevené uhlie (kúpila som v supermarkete brezové uhlie na grilovanie), pomelieme ho čo najjemnejšie (najskôr som ho rozdrvila v porcelánovej mažiari, potom som si kúpila mlynček na kávu). V priemysle sa elektródy vyrábajú z niekoľkých frakcií uhlia, ktoré sa navzájom miešajú. Nič vám nebráni urobiť to isté. Prášok sa vypaľuje, aby sa zvýšila jeho elektrická vodivosť: musí sa niekoľko minút zahrievať na najvyššiu možnú teplotu (1000 alebo viac). Prirodzene, bez prístupu vzduchu.

Na to som vyrobil vyhňu z dvoch plechoviek zasadených do seba. Na tepelnú izoláciu sa medzi ne naukladajú kusy suchej hliny. Dno oboch plechoviek je prepichnuté, aby bolo kam fúkať vzduch. Vnútorná nádoba je naplnená uhlíkmi (ktoré fungujú ako palivo), medzi nimi je umiestnená kovová krabica - "téglik", tiež som ju vyvaľkal z plechu z plechovky. Uhoľný prášok zabalený v papierovom vrecku je naplnený do škatule. Medzi zväzkom s uhlím a stenami "téglika" by mala byť medzera. Je pokrytá pieskom, aby nebol prístup vzduchu. Uhlie sa zapáli, potom sa prefúkne cez otvory na dne obyčajným sušičom vlasov. To všetko predstavuje dosť veľké nebezpečenstvo požiaru - lietajú iskry. Okuliare sú potrebné a tiež sa musíte pozerať tak, aby v blízkosti neboli žiadne závesy, sudy s benzínom a iné horľavé predmety. Bolo by lepšie robiť takéto veci niekde na zelenom trávniku počas obdobia dažďov (medzi dažďami). Prepáčte, ale som lenivý nakresliť celú túto štruktúru. Myslím, že môžete hádať aj bezo mňa.

Ďalej sa do spáleného prášku od oka pridá určité množstvo cukru (pravdepodobne z tretiny až polovice). Toto je spojivo. Potom - trocha vody (keď som mal špinavé ruky a bol som lenivý otočiť kohútikom, tak som do toho pľul a pridal pivo namiesto vody, neviem ako veľmi na tom záleží; je dosť možné, že organická hmota dôležité.Toto všetko sa dôkladne premieša v malte.Výsledkom by mala byť plastická hmota.Z tejto hmoty treba vytvarovať elektródu.Čím lepšie ju stlačíte,tým lepšie.Vzal som upchatý kus trubice a do trubičky som natĺkal uhlie s menšou trubicou pomocou kladiva. Aby sa výrobok pri vyberaní z trubice nerozpadol “, pred vložením do rúry som vložil niekoľko okrajov papiera. Zátka by mala byť odnímateľná a ešte lepšie - ak je rúra Pozdĺžne rozrezané a spojené svorkami. Potom po stlačení svorky jednoducho odpojíte a uhoľný polotovar dostanete bezpečne a v poriadku. V prípade odnímateľnej zátky potrebujete vytlačiť hotový obrobok z
potrubia (môže sa rozpadnúť). Moje uhlie malo priemer 1,2-1,5 cm a dĺžku 4-5 cm.

Hotová forma sa vysuší. Aby som to urobil, zapol som plynový sporák na veľmi malý oheň, položil som naň prázdnu plechovku hore dnom a na dno som dal uhlie. Sušenie musí byť dostatočne pomalé, aby vodná para neroztrhla obrobok. Po odparení všetkej vody začne cukor „vrieť“. Zmení sa na karamel a zlepí kúsky uhlia.

Po vychladnutí je potrebné do uhlia vyvŕtať pozdĺžny (pozdĺž jeho osi symetrie) okrúhly otvor, do ktorého sa zasunie výbojová elektróda. Priemer otvoru - nepamätám si, myslím, že 4 mm. Pri tomto postupe sa už dá všetko zakryť, pretože štruktúra je krehká. Najprv som vŕtal 2 mm vrtákom, potom som opatrne (ručne) rozširoval 3 mm a 4 mm vrtákmi alebo dokonca ihlovým pilníkom, už si presne nepamätám. V zásade môže byť tento otvor vytvorený už vo fáze lisovania. Ale toto -
nuansy.

Potom, čo je všetko vysušené a vyvŕtané, je potrebné vypáliť. Všeobecný význam je taký, že pri pomerne plynulom náraste teploty je potrebné na chvíľu (asi 20 minút) podrobiť uhlie silnému a rovnomernému ohrevu bez vzduchu. Postupne sa treba zahriať, aj ochladiť. Teplota - čím vyššia, tým lepšie. Najlepšie viac ako 1000. Mal som
oranžové (bližšie k bielej) zahrievanie železa v improvizovanej vyhni. Priemyselné elektródy sú odpaľované mnoho dní s veľmi plynulým prívodom a odvodom tepla. Veď ide v skutočnosti o keramiku, ktorá je krehká. Nemôžem zaručiť, že uhlie nepraskne. Všetko som robil od oka. Časť uhlíkov praskla hneď pri spustení prevádzky.

Takže uhlie je pripravené. Mal by mať čo najmenší odpor. Pri meraní odporu by ste sa nemali dotýkať uhlia ihlami testera, ale vziať dva lankové drôty, oprieť ich o strany uhlia (nie na koncoch tyče, ale jednoducho pozdĺž priemeru) a pevne pritlačiť prstami (len aby nepraskla), viď obrázok, na obrázku ružová amorfná hmota - to sú prsty stláčajúce pramene drôtikov.

Ak je odpor 0,3-0,4 ohmov (bolo to na hranici citlivosti môjho testera), potom je to dobré uhlie. Ak je viac ako 2-3 ohmy, potom zlé (špecifický výkon bude malý). Ak sa uhlie nepodarí, môžete výpal zopakovať.

Po odpálení vyrobíme výbojovú elektródu. Je to pásik striebra alebo železo - 2008 dĺžku rovnajúcu sa dvojnásobku alebo o niečo menšiu ako dĺžka uhlia,
široký - dva priemery otvorov. Hrúbka - povedzme 0,5 mm. Z neho musíte vyvaliť valec, ktorého vonkajší priemer sa rovná
priemer otvoru. Ale valec nebude fungovať, pretože šírka je príliš malá, dostanete valec s pozdĺžnou štrbinou. Tento slot je dôležitý na kompenzáciu tepelnej rozťažnosti. Ak urobíte plný valec, potom striebro pri zahrievaní rozbije uhlie.
Do uhlia sa vkladá „valec“. Musíte sa uistiť, že pevne zapadá do otvoru. Má to dve strany: nadmerná sila rozbije uhlie, pri slabej sile nebude dostatočný kontakt (to je veľmi dôležité). Pozri nákres.

Tento dizajn sa nezrodil hneď, zdá sa mi dokonalejší ako tie svorky, ktoré sú nakreslené v Jacovom patente. Po prvé, pri takomto kontakte prúd tečie nie pozdĺž, ale pozdĺž polomeru valcového uhlia, čo umožňuje výrazne znížiť elektrické straty. Po druhé, kovy majú vyšší koeficient tepelnej rozťažnosti ako uhlie, takže kontakt uhlia s kovovou svorkou sa pri zahrievaní oslabuje. V mojom prípade sa kontakt zosilní alebo si zachová svoju pevnosť. Po tretie, ak výbojová elektróda nie je vyrobená zo striebra, uhlík ju chráni pred oxidáciou. Prosím, dajte mi patent!

Teraz môžete znova zmerať odpor, jedným z pólov bude elektróda vedúca prúd. Mimochodom, môj tester má 0,3 ohm - to je už hranica citlivosti, takže je lepšie vynechať prúd známeho napätia a zmerať jeho silu.

Prívod vzduchu

Vyberáme oceľovú tyč z veľkokapacitného guľôčkového pera. Najlepšie prázdne. Odstránime z neho blok s guľou - zostane len železná trubica. Opatrne odstránime zvyšky pasty (veľmi sa mi to nepodarilo a pasta potom zuhoľnatela, čo sťažovalo život). Najprv sa to robí vodou a potom je lepšie tyč niekoľkokrát zapáliť v plameni horáka. Atrament sa pyrolyzuje a potom zostane uhlie, ktoré sa dá vybrať.

Ďalej nájdeme nejakú inú trubicu na spojenie tejto tyče (bude horúca) s PVC trubicou vedúcou z akváriového kompresora, ktorá sa používa na kondicionovanie rýb. Všetko by malo byť dosť tesné. Na PVC trubicu sme nasadili nastaviteľnú svorku, pretože aj ten najslabší kompresor dáva priveľa vzduchu. V ideálnom prípade musíte urobiť striebornú trubicu, nie oceľovú, a to sa mi dokonca podarilo, ale nepodarilo sa mi zabezpečiť tesné spojenie medzi striebornou trubicou a PVC líniou. Medzirúrky silno leptali vzduch (kvôli rovnakým tepelným medzerám), takže som sa nakoniec usadil na oceľovej tyči. Tento problém je, samozrejme, riešiteľný, ale museli ste tomu venovať čas a úsilie a vyzdvihnúť vhodné slúchadlo pre danú situáciu. Vo všeobecnosti som sa v tejto časti výrazne odklonil od Jacovho patentu. Takú ružu, ako namaľoval, som nedokázal vyrobiť (a pravdu povediac, potom som jej dizajn nezvážil dosť dobre).

Tu by sme mali urobiť malú odbočku a diskutovať o tom, ako nesprávne Jaco reprezentoval prácu svojho prvku. Je zrejmé, že kyslík prechádza do iónovej formy niekde na katóde podľa vzorca O2 + 4e- \u003d 2O2- alebo nejaká podobná reakcia, kde sa kyslík redukuje a s niečím sa spája. To znamená, že je dôležité zabezpečiť trojitý kontakt vzduchu, elektrolytu a katódy. Môže k tomu dôjsť, keď sa vzduchové bubliny dostanú do kontaktu s kovom rozprašovača a elektrolytom. To znamená, že čím väčší je celkový obvod všetkých otvorov atomizéra, tým väčšia by mala byť sila prúdu. Taktiež, ak urobíte pohár so šikmými okrajmi, potom sa môže zväčšiť aj trojitá kontaktná plocha, pozri obr.

Ďalšou možnosťou je zníženie rozpusteného kyslíka na katóde. V tomto prípade na trojitej kontaktnej ploche skutočne nezáleží, ale je potrebné len maximalizovať povrch bublín, aby sa urýchlilo rozpúšťanie kyslíka. Pravda, v tomto prípade nie je jasné, prečo rozpustený kyslík neoxiduje uhlie priamo, bez elektrochemickej reakcie (pracujúcej „obchádzanie“ elektrického obvodu). V tomto prípade sú zrejme dôležité katalytické vlastnosti materiálu pohárika. Dobre, všetko sú to texty. V každom prípade musíte prúd rozdeliť na malé bubliny. Pokusy o to, ktoré som urobil, neboli obzvlášť úspešné.

Na to bolo potrebné urobiť tenké otvory, čo sa ukázalo ako veľa problémov.

Po prvé, tenké otvory sa rýchlo upchajú, pretože. železná korózia, hrdza a zvyšky uhlia (pamätajte, že raz bola pasta z pera) vypadávajú z tyče a upchávajú otvory.
Po druhé, otvory nemajú rovnakú veľkosť a je ťažké prinútiť vzduch prúdiť súčasne zo všetkých otvorov.
Po tretie, ak sú v blízkosti dve diery, bubliny majú zlú tendenciu spájať sa ešte skôr, než sa odlomia.
Po štvrté, kompresor dodáva vzduch nerovnomerne a to tiež nejako ovplyvňuje veľkosť bublín (zrejme jedna bublina vyskočí jedným stlačením). To všetko sa dá ľahko pozorovať naliatím vody do priehľadného téglika a testovaním atomizéra v ňom. Samozrejme, lúh má inú viskozitu a povrchové napätie, takže musíte hádať. Nikdy som nedokázal prekonať tieto problémy a navyše problém s únikom vzduchu v dôsledku tepelných medzier. Kvôli týmto únikom atomizér nemohol začať pracovať, pretože na to je potrebné prekonať sily povrchového napätia. Práve tu sa naplno prejavili nedostatky svoriek. Bez ohľadu na to, ako silno ich utiahnete, pri zahriatí sa stále uvoľňujú. Nakoniec som prešiel k jednoduchému atomizéru s náplňou do guľôčkového pera, ktorý produkoval iba jeden prúd bublín. Zdá sa, že aby ste to urobili normálnym spôsobom, musíte sa opatrne zbaviť netesností, privádzať vzduch pod značný tlak (väčší ako tlak vytvorený akváriovým kompresorom) a cez malé otvory.

Úprimne povedané, túto časť dizajnu som vypracoval zle...

zhromaždenie

Všetky. Dávať to všetko dokopy. Je potrebné nainštalovať všetko na svorky tak, aby
1. K skratu cez nosnú konštrukciu nedošlo.
2. Uhlie sa nedotklo rúrky, ktorá fúka vzduch, ako aj stien
pohár. Bude to ťažké, pretože medzery sú malé, svorky sú chabé a alkálie bude bublať, keď je prvok v prevádzke. Pôsobiť bude aj Archimedova sila, ktorá všetko posunie tam, kde to nie je potrebné, a sila povrchového napätia, ktorá priťahuje uhlie k iným objektom. Striebro teplom zmäkne. Uhlie som preto nakoniec držal kliešťami za koniec vybíjacej elektródy. Bolo zle. Pre bežnú prevádzku treba ešte vyrobiť kryt (zrejme len z porcelánu - hlina nasiakne alkáliami a stráca pevnosť, možno sa dá použiť pálená hlina). Myšlienka, ako vyrobiť toto veko, je v Jacovom patente. Hlavná vec je, že by mala celkom dobre držať uhlie, pretože. aj pri miernom zošikmení sa bude dotýkať pohára na dne. Aby to bolo možné, musí mať veľkú výšku. Nepodarilo sa mi zobrať taký porcelánový obal, nepodarilo sa mi vyrobiť ani keramický z hliny (všetko, čo som z hliny skúšal, mi rýchlo praskalo, zrejme som to nejako zle prepálil). Jediný malý trik je použiť ako tepelnú izoláciu kovový kryt a vrstvu aj zle vypálenej hliny. Táto cesta tiež nie je taká jednoduchá.

Dizajn prvku bol pre mňa skrátka tiež zbytočný.

Je tiež dobré pripraviť si nástroj, pomocou ktorého získate kúsok uhlia, ktorý môže spadnúť z elektródy a spadnúť do alkálie. Kúsok uhlia môže odpadnúť a spadnúť do alkálie, potom dôjde ku skratu. Ja som mal ako taký nástroj ohnutú oceľovú sponu, ktorú som držal kliešťami. Privedieme drôty - jeden k rukoväti, druhý k vybíjacej elektróde. Spájkovať sa dá, aj keď ja som použil dva plechy a zoskrutkoval som ich skrutkami (všetko je od detského dizajnéra kovov). Hlavná vec je pochopiť, že celá konštrukcia funguje pri nízkom napätí a všetky pripojenia musia byť vykonané dobre. Odpor meriame v neprítomnosti elektrolytu medzi elektródami – dbáme na to, aby bol veľký (najmenej 20 ohmov). Meriame odpor všetkých spojov - dbáme na to, aby boli malé. Zhromažďujeme schému s nákladom. Napríklad odpor 1 ohm a ampérmeter zapojený do série. U testerov sa nízky odpor ampérmetra vyskytuje len v režime meracích jednotiek ampérov, je vhodné si to vopred zistiť. Môžete buď zapnúť režim zmeny ampérovej jednotky (prúd bude od 0,001 do 0,4 A), alebo namiesto sériovo zapojeného ampérmetra zapnúť paralelne voltmeter (napätie bude od 0,2 do 0,9 V). Je žiaduce zabezpečiť možnosť zmeny podmienok počas experimentu, aby sa zmeralo napätie naprázdno, skratový prúd a prúd so záťažou 1 ohm. A je lepšie, ak je možné zmeniť aj odpor: 0,5 ohm, 1 ohm a 2 ohm, aby ste našli ten, pri ktorom sa dosiahne maximálny výkon.

Zapneme kompresor z akvária a zabalíme svorku tak, aby vzduch ledva prúdil (a mimochodom výkon prívodného potrubia treba skontrolovať ponorením do vody. Keďže hustota alkálie je 2,7, musí byť ponorený do patrične väčšej hĺbky. Úplná tesnosť nie je potrebná, hlavné je, že v takej hĺbke z konca trubice niečo žblnkne.

Preventívne opatrenia

Nasleduje práca s alkalickou taveninou. Ako by sa dalo vysvetliť, čo je alkalická tavenina? Máte mydlo v očiach? Nepríjemné, však? Takže tavenina NaOH je tiež mydlo, iba zahriate na 400 stupňov a stokrát žieravejšie.

Pri práci s roztavenou alkáliou sú prísne potrebné ochranné opatrenia!

Po prvé, dobré ochranné okuliare sú nevyhnutné. Som krátkozraký, a tak som nosil dvoje okuliarov – plastové ochranné okuliare navrchu a sklenené dole. Ochranné okuliare by mali chrániť pred postriekaním nielen spredu, ale aj zboku. V takejto munícii som sa cítil bezpečne. Napriek ochranným okuliarom sa tvár k prístroju vôbec neodporúča približovať.

Okrem očí treba chrániť aj ruky. Všetko som robil veľmi opatrne, takže nakoniec som sa už „zvládol“ a pracoval v tričku. To je užitočné, pretože niekedy tie najmenšie kvapôčky alkálie, ktoré sa niekedy dostanú na vaše ruky, spôsobujú popáleniny, ktoré vám nedovolia niekoľko dní zabudnúť, s akou látkou máte čo do činenia.

Ale na rukách, samozrejme, boli rukavice. Po prvé, gumené domácnosti (nie najtenšie), a na ich vrchole - pupienky handrové pupienky vyčnievajúce zo zadnej časti dlane. Navlhčil som ich vodou, aby som mohol naberať horúce predmety. V takomto páre rukavíc sú ruky viac-menej chránené. Ale treba dávať pozor, aby vonkajšie rukavice neboli nikdy príliš mokré. Kvapka vody padajúca do elektrolytu okamžite vrie, pričom elektrolyt veľmi pekne strieka. Ak sa to stane (a mne sa to stalo trikrát), nastali problémy s dýchacím systémom. V týchto prípadoch som okamžite zadržal dych bez toho, aby som dych dokončil (cvičenie kajakára pomáha nespanikáriť v takýchto situáciách) a zdravým spôsobom som vypadol z kuchyne.

Vo všeobecnosti je na ochranu dýchacích orgánov počas experimentu potrebné dobré vetranie. V mojom prípade to bol len prievan (bolo leto). Ale ideálne by to mala byť kapucňa alebo open air.

Keďže postriekaniu lúhom sa nevyhneme, všetko v bezprostrednej blízkosti pohára je do tej či onej miery pokryté lúhom. Ak ho vezmete holými rukami, môžete sa popáliť. Po ukončení experimentu je potrebné všetko umyť, vrátane rukavíc.

Aj v prípade popálenia som mal vždy nablízku nádobu s vodou a nádobu zriedeného octu na neutralizáciu alkálie v prípade silného popálenia. Ocot mi našťastie nikdy neprišiel vhod a neviem povedať, či sa ho vôbec oplatí používať. V prípade popálenia okamžite zmyte zásadu veľkým množstvom vody. Existuje aj ľudový liek na popáleniny - moč. Zdá sa, že to tiež pomáha.

Vlastne práca s prvkom

Nalejte suchý NaOH do pohára (kúpil som Digger na čistenie potrubia). Môžete pridať MgO a ďalšie prísady, ako je CaCO3 (zubný prášok alebo krieda) alebo MgCO3 (mal som MgO, ktorý ťažili moji priatelia). Zapáľte horák a zohrejte ho. Keďže NaOH je extrémne hygroskopický, musíte to urobiť ihneď (a pevne uzavrieť vrecko s NaOH). Bolo by pekné zabezpečiť, aby bolo sklo obklopené teplom zo všetkých strán - prúd je VEĽMI silne závislý od teploty. To znamená urobiť improvizovanú spaľovaciu komoru a nasmerovať do nej plameň horáka (treba dbať aj na to, aby nevybuchla nádoba pri horáku, podľa mňa sú tieto horáky z tohto pohľadu dosť zle vyrobené, nakoľko Už som napísal, na to je potrebné, aby horúce plyny nepadali na kazetu a je lepšie ju držať v normálnej polohe a nie „hore nohami“).
Niekedy sa ukáže, že je vhodné priviesť plameň horáka zhora, ale to je potom, čo sa všetko roztopí. Potom sa súčasne zahrieva vstrekovacia trubica, ktorá vybíja elektródu (a cez ňu uhlie), vrch skla, kde je najviac vzduchových bublín. Ak ma pamäť neklame, najväčší výsledok sa dosiahol týmto spôsobom.

Po určitom čase sa zásada začne topiť a jej objem sa zníži. Je potrebné pridať prášok tak, aby bolo sklo naplnené do 2/3 výšky (alkálie unikne vzlínavosťou a striekaním). Potrubie prívodu vzduchu mi nefungovalo dobre (v dôsledku tepelnej rozťažnosti sa zväčšia medzery a netesnosti a vďaka dobrému odvodu tepla v ňom môže stuhnúť zásada). Niekedy vzduch prestal prúdiť úplne. Aby som to napravil, urobil som nasledovné:
1. Čistenie. (dočasné jemné zvýšenie prívodu vzduchu)
2. Vstaň. (tlak bude menší a vzduch vytlačí stĺpec alkálie z
potrubia)
3. Zahriatie (vyberieme z pohára a zohrejeme horákom, aby sa roztopila zásada vo vnútri rozprašovača).

Vo všeobecnosti prvok začne dobre fungovať pri teplote červeného tepla (alkálie začne žiariť). Súčasne začne prúdiť pena (toto je CO2) a počuť praskanie s bleskami (či je to vodík alebo horí CO, stále nerozumiem).
Z prvku sa mi podarilo dosiahnuť maximálny výkon 0,025 wattu/cm2 alebo celkovo 0,176 wattu pri záťažovom odpore 1,1 ohmu. Zároveň som meral prúd ampérmetrom. A bolo možné merať pokles napätia na záťaži.

Degenerácia elektrolytov

V živle nastáva zlá vedľajšia reakcia

NaOH+C02=Na2C03+H20.

To znamená, že po určitom čase (desiatkach minút) všetko stvrdne (bod topenia sódy - nepamätám si, ale asi 800). Nejaký čas sa to dá prekonať pridaním ďalšej alkálie, ale v konečnom dôsledku je to jedno – elektrolyt stuhne. Ako sa s tým vysporiadať, pozrite si ďalšie stránky na tejto stránke, počnúc stránkou UTE. Vo všeobecnosti možno NaOH použiť aj napriek tomuto problému, ako o tom písal Jaco vo svojom patente. Pretože existujú spôsoby, ako získať NaOH z Na2CO3. Napríklad vytesnenie nehaseného vápna reakciou Na2CO3 + CaOH = 2NaOH + CaCO3, po ktorej sa môže CaCO3 kalcinovať a opäť sa získa CaO. Je pravda, že táto metóda je veľmi energeticky náročná a celková účinnosť prvku veľmi klesne a zložitosť sa zvýši. Preto si myslím, že je stále potrebné hľadať stabilné zloženie elektrolytu, ktorý sa v SARA našiel. Je možné, že sa to dá dosiahnuť nájdením patentových prihlášok SARA v databáze patentového úradu USA (http://www.uspto.gov), najmä preto, že sa mohli stať udelenými patentmi v minulosti. Ale ešte sa mi to nedostalo do rúk. Táto myšlienka sa v skutočnosti objavila až pri príprave týchto materiálov. Zdá sa, že to čoskoro urobím.

Výsledky, myšlienky a závery

Tu sa možno budem trochu opakovať. Môžete začať nie so striebrom, ale okamžite so železom. Keď som sa pokúsil použiť podvodníka
z nerezu, urobil som to zle. Teraz chápem, že prvým dôvodom je nízka teplota a veľká medzera medzi elektródami. Jacques vo svojom článku píše, že zlá práca so železom je spôsobená tým, že sa na žehličku pripáli olej a vytvorí sa druhá uhlíková elektróda, takže žehličku treba veľmi opatrne vyčistiť od najmenších stôp oleja a tiež použiť železo.
s nízkym obsahom uhlíka. Možno áno, ale stále si myslím, že je tu iný, dôležitejší dôvod. Železo je prvkom variabilnej valencie. Rozpúšťa sa a vytvára „skrat“. Podporuje to aj zmena farby. Pri použití striebra sa farba elektrolytu nemení (striebro je najodolnejší kov proti pôsobeniu roztavených alkálií). O
Pri použití železa elektrolyt zhnedne. Pri použití striebra dosahuje napätie naprázdno 0,9V a vyššie. Pri použití žehličky je to výrazne menej (nepamätám si presne, ale nie viac ako 0,6 V) O tom, akú žehličku musíte použiť, aby všetko dobre fungovalo - sú na iných stránkach. Trochu viac o vodnej pare, o ktorej píše SARA. Na jednej strane je to dobré pre každého (teoreticky): nedovolí, aby železo prešlo do roztoku (známa je reakcia rozkladu železitanov alkalických kovov s horúcou vodou, niečo ako Na2FeO4 + H2O = 2NaOH + Fe2O3) a Zdá sa, že by mala posunúť rovnováhu v zlej vedľajšej reakcii. Vyhľadal som termodynamiku reakcie NaOH+CO2=Na2CO3+H2O pomocou online programu F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php) Pri všetkých teplotách rovnováha v ňom je veľmi silne posunutá doprava, t.j. je nepravdepodobné, že by voda výrazne vytlačila oxid uhličitý z kombinácie s oxidom sodným. Je možné, že v zliatine NaOH-Na2CO3 sa situácia mení, prípadne vzniká vodný roztok, ale neviem to zistiť. Myslím si, že v tomto prípade je kritériom pravdy prax.

Hlavná vec, s ktorou sa možno stretnúť pri vykonávaní experimentov s parou, je kondenzácia. Ak niekde pri ceste z miesta, kde voda vstupuje do vzduchového potrubia, klesne teplota ktorejkoľvek steny pod 100C, voda môže kondenzovať a prúdom vzduchu sa potom dostane vo forme kvapôčky do alkálie. Je to veľmi nebezpečné a treba sa tomu za každú cenu vyhnúť. Zvlášť nebezpečné je, že teplotu stien nie je také ľahké merať. Ja sám som s steamom nič neskúšal.

Vo všeobecnosti je samozrejme potrebné vykonávať takúto prácu nie v byte, ale aspoň vo vidieckom dome a okamžite urobiť väčší prvok. K tomu budete samozrejme potrebovať väčšiu pec na výpal, veľký „sporák“ na ohrev elementu a viac surovín. Ale bude oveľa pohodlnejšie pracovať so všetkými detailmi. To platí najmä pre zariadenie samotného prvku, ktorý som nemal kryt. Vyrobiť veľké veko je oveľa jednoduchšie ako urobiť malé.

O striebre. Striebro, samozrejme, nie je také lacné. Ale ak urobíte striebornú elektródu dostatočne tenkú, potom sa článok so striebrom môže stať nákladovo efektívnym. Napríklad nech je možné vyrobiť elektródu s hrúbkou 0,1 mm. S plasticitou a tvárnosťou striebra to bude jednoduché (striebro sa dá pretiahnuť cez rolky do veľmi tenkej fólie a dokonca som to chcel urobiť, ale žiadne rolky neboli). S hustotou asi 10 g / cm ^ 3 stojí jeden kubický centimeter striebra asi 150 rubľov. To poskytne 100 štvorcových centimetrov povrchu elektródy. Môžete tiež získať 200 cm ^ 2, ak vezmete dva ploché uhlie a umiestnite medzi ne strieborný tanier. So špecifickým výkonom, ktorý som dosiahol 0,025 W / cm ^ 2, sa získa výkon 5 wattov alebo 30 rubľov na watt alebo 30 000 rubľov na kilowatt. Vzhľadom na jednoduchosť konštrukcie možno očakávať, že zvyšné komponenty kilowattového prvku (sporák, vzduchová pumpa) budú výrazne lacnejšie. V tomto prípade môže byť telo vyrobené z porcelánu, ktorý je pomerne odolný voči alkalickej tavenine. Výsledok nie je príliš drahý ani v porovnaní s nízkokapacitnými benzínovými elektrárňami. A ďaleko za nimi sú solárne panely s veternými mlynmi a termoelektrickými generátormi. Pre ďalšie zníženie ceny môžete skúsiť vyrobiť nádobu z postriebrenej medi. V tomto prípade bude strieborná vrstva dokonca 100-1000 krát tenšia. Pravda, moje pokusy s cupronickel lyžičkou skončili neúspešne, takže nie je jasné, nakoľko odolný bude strieborný povlak. To znamená, že aj použitie striebra otvára celkom dobré vyhliadky. Jediná vec, ktorá tu môže zlyhať, je, ak striebro nie je dostatočne pevné.

Viac o materiáloch tela. Údajne pri prevádzke prvku majú veľký význam peroxidy sodíka, napríklad Na2O2, ktoré by sa mali vyskytovať pri vháňaní vzduchu do NaOH. Pri vysokých teplotách peroxid koroduje takmer všetky látky. Boli uskutočnené pokusy na meranie úbytku hmotnosti téglikov z rôznych materiálov, ktoré obsahovali taveninu peroxidu sodného. Zirkónium sa ukázalo ako najodolnejšie, nasledovalo železo, potom nikel a potom porcelán. Striebro sa do prvej štvorky nedostalo. Bohužiaľ si už presne nepamätám, ako stabilné je striebro. Písalo sa aj o dobrej odolnosti Al2O3 a MgO. Ale druhé miesto, ktoré obsadilo železo, vzbudzuje optimizmus.

To je vlastne všetko.

Ekológia poznania. Veda a technika: Mobilná elektronika sa každým rokom zlepšuje, stáva sa rozšírenejšou a dostupnejšou: PDA, notebooky, mobilné a digitálne zariadenia, fotorámiky atď. Všetky sa neustále dopĺňajú

DIY palivový článok doma

Mobilná elektronika sa každým rokom zlepšuje, stáva sa rozšírenejšou a dostupnejšou: PDA, notebooky, mobilné a digitálne zariadenia, fotorámiky atď. Všetky sú neustále aktualizované o nové funkcie, väčšie monitory, bezdrôtovú komunikáciu, výkonnejšie procesory, pričom sa znižuje veľkosť.. Výkonové technológie, na rozdiel od polovodičovej, nejdú míľovými krokmi.

Dostupné batérie a akumulátory na napájanie výdobytkov priemyslu sa stávajú nedostatočnými, takže otázka alternatívnych zdrojov je veľmi akútna. Palivové články sú zďaleka najsľubnejším smerom. Princíp ich fungovania objavil už v roku 1839 William Grove, ktorý vyrábal elektrinu zmenou elektrolýzy vody.

Čo sú palivové články?

Video: Dokument, Palivové články pre dopravu: minulosť, súčasnosť, budúcnosť

Palivové články zaujímajú automobilky a zaujímajú sa o ne aj tvorcovia kozmických lodí. V roku 1965 ich dokonca otestovala Amerika na Gemini 5 vypustenej do vesmíru a neskôr na Apolle. Do výskumu palivových článkov sa investujú milióny dolárov aj dnes, keď sú problémy spojené so znečisťovaním životného prostredia, zvyšovaním emisií skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív, ktorých zásoby tiež nie sú nekonečné.

Palivový článok, často označovaný ako elektrochemický generátor, funguje spôsobom opísaným nižšie.

Byť, podobne ako akumulátory a batérie, galvanickým článkom, no s tým rozdielom, že účinné látky sú v ňom uložené oddelene. Prichádzajú k elektródam tak, ako sa používajú. Na zápornej elektróde horí prírodné palivo alebo akákoľvek látka z neho získaná, ktorá môže byť plynná (napríklad vodík a oxid uhoľnatý) alebo kvapalná, napríklad alkoholy. Na kladnej elektróde spravidla reaguje kyslík.

Ale jednoducho vyzerajúci princíp konania nie je ľahké preniesť do reality.

DIY palivový článok

Žiaľ, nemáme k dispozícii fotografie, ako by mal tento palivový prvok vyzerať, dúfame vo vašu predstavivosť.

Nízkoenergetický palivový článok vlastnými rukami je možné vyrobiť aj v školskom laboratóriu. Je potrebné zásobiť starú plynovú masku, niekoľko kusov plexiskla, alkálie a vodný roztok etylalkoholu (jednoduchšie vodka), ktorý bude slúžiť ako „palivo“ pre palivový článok.

V prvom rade potrebujete puzdro na palivový článok, najlepšie z plexiskla s hrúbkou aspoň päť milimetrov. Vnútorné prepážky (päť priehradiek vo vnútri) je možné urobiť trochu tenšie - 3 cm.Na lepenie plexiskla sa používa lepidlo zloženia: šesť gramov plexištičiek sa rozpustí v sto gramoch chloroformu alebo dichlóretánu (pracujú pod kapotou ).

Vo vonkajšej stene je teraz potrebné vyvŕtať otvor, do ktorého je potrebné cez gumenú zátku vložiť odtokovú sklenenú trubicu s priemerom 5-6 centimetrov.

Každý vie, že v periodickej tabuľke v ľavom dolnom rohu sú najaktívnejšie kovy a vysokoaktívne metaloidy sú v tabuľke v pravom hornom rohu, t.j. schopnosť darovať elektróny sa zvyšuje zhora nadol a sprava doľava. Prvky, ktoré sa môžu za určitých podmienok prejaviť ako kovy alebo metaloidy, sú v strede tabuľky.

Teraz do druhej a štvrtej priehradky nalejeme aktívne uhlie z plynovej masky (medzi prvú prepážku a druhú, ako aj tretiu a štvrtú), ktoré bude fungovať ako elektródy. Aby sa uhlie nevysypalo cez otvory, môže byť umiestnené v nylonovej tkanine (dámske nylonové pančuchy stačia).

Palivo bude cirkulovať v prvej komore, v piatej by mal byť dodávateľ kyslíka – vzduch. Medzi elektródami bude elektrolyt a aby sa zabránilo jeho úniku do vzduchovej komory, je potrebné ho namočiť roztokom parafínu v benzíne (pomer 2 gramy parafínu na pol pohára benzínu) pred naplnením štvrtej komory uhlím na vzdušný elektrolyt. Na vrstvu uhlia je potrebné položiť (mierne stlačiť) medené platne, ku ktorým sú drôty prispájkované. Prostredníctvom nich bude prúd odvádzaný z elektród.

Zostáva len nabiť prvok. Na to je potrebná vodka, ktorá sa musí zriediť vodou v pomere 1: 1. Potom opatrne pridajte tristo až tristopäťdesiat gramov žieravého draslíka. Pre elektrolyt sa 70 gramov žieravého draslíka rozpustí v 200 gramoch vody.

Palivový článok je pripravený na testovanie. Teraz musíte súčasne naliať palivo do prvej komory a elektrolyt do tretej. Voltmeter pripojený k elektródam by mal ukazovať od 07 voltov do 0,9. Pre zabezpečenie nepretržitej prevádzky prvku je potrebné vyhoreté palivo vypustiť (vypustiť do pohára) a doplniť nové palivo (cez gumovú hadičku). Rýchlosť posuvu sa riadi stláčaním tuby. Takto vyzerá prevádzka palivového článku v laboratórnych podmienkach, ktorého výkon je pochopiteľne malý.

Aby bola sila väčšia, vedci na tomto probléme pracujú už dlho. Metanolové a etanolové palivové články sú umiestnené na aktívnej vývojovej oceli. Ale, bohužiaľ, zatiaľ neexistuje spôsob, ako ich uviesť do praxe.

Prečo je palivový článok zvolený ako alternatívny zdroj energie

Ako alternatívny zdroj energie bol zvolený palivový článok, keďže konečným produktom spaľovania vodíka v ňom je voda. Problém je len v nájdení lacného a efektívneho spôsobu výroby vodíka. Kolosálne prostriedky investované do vývoja vodíkových generátorov a palivových článkov nemôžu nepriniesť svoje ovocie, takže technologický prelom a ich reálne využitie v každodennom živote je len otázkou času.

Už dnes predvádzajú príšery automobilového priemyslu: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard autobusy a autá, ktoré jazdia na palivové články s výkonom až 50 kW. Ale problémy spojené s ich bezpečnosťou, spoľahlivosťou, nákladmi - ešte neboli vyriešené. Ako už bolo spomenuté, na rozdiel od tradičných zdrojov energie - batérií a batérií je v tomto prípade okysličovadlo a palivo dodávané zvonku a palivový článok je len prostredníkom v prebiehajúcej reakcii na spálenie paliva a premenu uvoľnenej energie na elektrickú energiu. . K „horeniu“ dochádza iba vtedy, ak prvok dodáva záťaži prúd, ako napríklad dieselový elektrický generátor, ale bez generátora a nafty a tiež bez hluku, dymu a prehrievania. Zároveň je účinnosť oveľa vyššia, pretože neexistujú žiadne medziľahlé mechanizmy.

Veľké nádeje sa vkladajú do využitia nanotechnológií a nanomateriálov, ktoré pomôžu miniaturizovať palivové články a zároveň zvýšiť ich výkon. Objavili sa správy, že boli vytvorené ultraúčinné katalyzátory, ako aj konštrukcie palivových článkov, ktoré nemajú membrány. V nich sa spolu s oxidačným činidlom dodáva do prvku palivo (napríklad metán). Zaujímavé sú riešenia, kde sa ako oxidačné činidlo používa kyslík rozpustený vo vode a ako palivo organické nečistoty hromadiace sa v znečistených vodách. Ide o takzvané biopalivové články.

Palivové články sa podľa odborníkov môžu dostať na masový trh v najbližších rokoch. publikovaný

Pridajte sa k nám na

Popis:

Tento článok podrobnejšie rozoberá ich štruktúru, klasifikáciu, výhody a nevýhody, rozsah, efektivitu, históriu vzniku a moderné vyhliadky na použitie.

Použitie palivových článkov na napájanie budov

Časť 1

Tento článok podrobnejšie rozoberá princíp fungovania palivových článkov, ich konštrukciu, klasifikáciu, výhody a nevýhody, rozsah, účinnosť, históriu vzniku a moderné vyhliadky na použitie. V druhej časti článku, ktorý vyjde v budúcom čísle časopisu ABOK, uvádza príklady zariadení, kde sa ako zdroje tepla a elektriny (alebo len elektriny) používali rôzne typy palivových článkov.

Voda sa môže skladovať dokonca v oboch smeroch v stlačenej aj skvapalnenej forme, ale aj to je kaša, pričom obe sú spôsobené značnými technickými problémami. Je to spôsobené vysokými tlakmi a extrémne nízkymi teplotami v dôsledku skvapalňovania. Z tohto dôvodu musí byť napríklad stojan na výdajný stojan vodného paliva riešený inak, ako sme zvyknutí, koniec plniacej linky spája robotické rameno s ventilom na aute. Spájanie a plnenie je dosť nebezpečné, a preto je najlepšie, ak sa tak deje bez prítomnosti osoby.

Úvod

Palivové články predstavujú veľmi efektívny, spoľahlivý, odolný a ekologický spôsob výroby energie.

Palivové články, ktoré sa pôvodne používali len vo vesmírnom priemysle, sa v súčasnosti čoraz viac využívajú v rôznych oblastiach – ako sú stacionárne elektrárne, zásobovanie teplom a energiou budov, motory vozidiel, napájacie zdroje pre notebooky a mobilné telefóny. Niektoré z týchto zariadení sú laboratórne prototypy, niektoré prechádzajú predsériovým testovaním alebo sa používajú na demonštračné účely, ale mnohé modely sú sériovo vyrábané a používané v komerčných projektoch.

Takéto zariadenie je v testovacej prevádzke na letisku v Mníchove, vyskúšajte si tu jazdu s jednotlivými autami a autobusmi. Vysoké kilo najazdených kilometrov je v pohode, ale v praxi je to rovnako dôležité ako to, koľko kíl to bude stáť a koľko miesta v aute zaberie silná izolovaná palivová nádrž. Niektoré ďalšie problémy s vodou: - vytvorenie komplexného vzduchového kúpeľa - problém s garážami, autoservismi atď. - vďaka malej molekule, ktorá prenikne do každého hrdla, skrutiek a ventilov - stlačenie a skvapalnenie vyžadujú značné množstvo energie.

Palivový článok (elektrochemický generátor) je zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu paliva (vodíka) na elektrickú energiu v procese elektrochemickej reakcie priamo, na rozdiel od tradičných technológií, ktoré využívajú spaľovanie tuhých, kvapalných a plynných palív. Priama elektrochemická premena paliva je veľmi efektívna a atraktívna z hľadiska životného prostredia, keďže pri prevádzke sa uvoľňuje minimálne množstvo škodlivín a nevznikajú žiadne silné zvuky a vibrácie.

Špecifické tlaky, kompresia a súbor potrebných bezpečnostných opatrení majú pri hodnotení na konci vody veľmi dobrú hodnotu v porovnaní s kvapalnými uhľovodíkovými palivami, ktoré sa vyrábajú pomocou ľahkých nádob bez tlaku. Preto možno veľmi naliehavé okolnosti môžu prispieť k jeho skutočne lichotivému pôžitku.

Automobilky v blízkej budúcnosti stále hľadajú lacnejšie a relatívne menej nebezpečné kvapalné palivá. Horúcou taveninou môže byť metanol, ktorý sa dá relatívne ľahko extrahovať. Jeho hlavným a jediným problémom je toxicita, na druhej strane, podobne ako voda, sa metán môže použiť ako v spaľovacích motoroch, tak aj v určitom type palivového reťazca. Má tiež určité výhody v spaľovacích motoroch, a to aj z hľadiska emisií.

Z praktického hľadiska palivový článok pripomína klasickú galvanickú batériu. Rozdiel spočíva v tom, že na začiatku je batéria nabitá, t.j. naplnená „palivom“. Počas prevádzky sa spotrebuje "palivo" a batéria sa vybije. Na rozdiel od batérie palivový článok využíva na výrobu elektrickej energie palivo dodávané z externého zdroja (obr. 1).

V tomto smere sa môžu vody zdvihnúť k pomerne nečakanej a predsa zdatnej konkurencii. Palivový článok je zdrojom prúdu generovaného elektrochemickou reakciou. Na rozdiel od všetkých našich známych batérií je napájaný činidlami a neustále vysypávaným odpadom, takže na rozdiel od batérie je prakticky nevyčerpateľný. Aj keď existuje veľa rôznych typov, nasledujúci diagram vodíkových palivových článkov nám pomáha pochopiť, ako to funguje.

Palivo sa privádza do kladnej elektródy, kde sa oxiduje. O2-kyslík vstupuje do zápornej elektródy a môže sa znížiť.

Dokonca sa podarilo vyvinúť palivový článok, ktorý priamo spaľuje uhlie. Keďže veľmi dôležitým míľnikom vo vývoji energetiky by mohla byť práca vedcov z Lawrence Livermore Laboratory, ktorým sa podarilo otestovať palivový článok, ktorý priamo premieňa uhlie na elektrinu, zastavíme sa pri pár slovách. Uhoľná pôda s veľkosťou do 1 mikrónu sa pri teplote 750 – 850 °C zmieša s roztaveným uhličitanom lítnym, sodným alebo draselným.

Na výrobu elektrickej energie možno využiť nielen čistý vodík, ale aj ďalšie suroviny s obsahom vodíka, ako je zemný plyn, čpavok, metanol či benzín. Ako zdroj kyslíka, ktorý je tiež potrebný na reakciu, sa používa obyčajný vzduch.

Pri použití čistého vodíka ako paliva sú produktmi reakcie okrem elektrickej energie aj teplo a voda (alebo vodná para), t. j. do atmosféry neunikajú žiadne plyny, ktoré spôsobujú znečistenie ovzdušia alebo spôsobujú skleníkový efekt. Ak sa ako palivo použije surovina obsahujúca vodík, napríklad zemný plyn, vedľajšie plyny, ako oxidy uhlíka a dusíka, budú vedľajším produktom reakcie, ale ich množstvo je oveľa nižšie ako pri ich spaľovaní. množstvo zemného plynu.

Potom sa všetko robí štandardným spôsobom v súlade s vyššie uvedenou schémou: kyslík vo vzduchu reaguje s uhlíkom za vzniku oxidu uhličitého a energia sa uvoľňuje vo forme elektriny. Hoci poznáme niekoľko rôznych typov palivových článkov, všetky fungujú podľa opísaného princípu. Ide o druh riadeného spaľovania. Keď zmiešame vodík s kyslíkom, dostaneme výbušnú zmes, ktorá exploduje a vytvorí vodu. Energia sa uvoľňuje vo forme tepla. Vo vodíkovom palivovom článku prebieha rovnaká reakcia, produktom je tiež voda, ale energia sa uvoľňuje ako elektrina.

Proces chemickej premeny paliva na výrobu vodíka sa nazýva reformovanie a príslušné zariadenie sa nazýva reformátor.

Výhody a nevýhody palivových článkov

Palivové články sú energeticky účinnejšie ako spaľovacie motory, pretože neexistuje žiadne termodynamické obmedzenie energetickej účinnosti palivových článkov. Účinnosť palivových článkov je 50%, účinnosť spaľovacích motorov je 12-15% a účinnosť elektrární s parnými turbínami nepresahuje 40%. Využitím tepla a vody sa účinnosť palivových článkov ďalej zvyšuje.

Veľkou výhodou palivového článku je, že vyrába elektrinu z paliva akosi priamo, bez intermediárneho tepelného zariadenia, takže emisie sú nižšie a účinnosť je vyššia. Dosahuje 70%, pričom štandardne dosahujeme 40% premenu uhlia na elektrinu. Prečo namiesto elektrární nestaviame obrie palivové články? Palivový článok je pomerne zložité zariadenie pracujúce pri vysokých teplotách, takže požiadavky na materiály elektród a samotný elektrolyt sú vysoké.

Na rozdiel napríklad od spaľovacích motorov zostáva účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, aj keď nepracujú na plný výkon. Výkon palivových článkov je navyše možné zvýšiť jednoduchým pridaním samostatných blokov, pričom účinnosť sa nemení, t.j. veľké inštalácie sú rovnako efektívne ako malé. Tieto okolnosti umožňujú veľmi flexibilný výber zloženia zariadení v súlade s prianím zákazníka a v konečnom dôsledku vedú k zníženiu nákladov na zariadenie.

Elektrolyty zahŕňajú napríklad iónomeničové membrány alebo vodivé keramické materiály alebo skôr drahé materiály alebo kyselinu fosforečnú, hydroxid sodný alebo roztavené uhličitany alkalických kovov, ktoré sú veľmi korozívne pre zmenu tkaniva. Práve táto komplikácia, po počiatočnom nadšení v dvadsiatom storočí, palivové články okrem vesmírneho programu neboli výraznejšie.

Záujem potom opäť opadol, keď sa ukázalo, že širšie využitie je nad možnosti vtedajšej technológie. Za posledných tridsať rokov sa však vývoj nezastavil, objavili sa nové materiály a koncepcie a zmenili sa aj naše priority – teraz venujeme oveľa väčšiu pozornosť ochrane životného prostredia ako vtedy. Preto zažívame akúsi renesanciu v palivových článkoch, ktoré sa čoraz viac využívajú v mnohých oblastiach. Na svete je 200 takýchto zariadení. Slúžia napríklad ako záložné zariadenie tam, kde by výpadok siete mohol spôsobiť vážne problémy – napríklad v nemocniciach alebo vojenských zariadeniach.

Dôležitou výhodou palivových článkov je ich šetrnosť k životnému prostrediu. Emisie do ovzdušia z palivových článkov sú také nízke, že v niektorých častiach USA nevyžadujú špeciálne povolenia od vládnych agentúr pre kvalitu ovzdušia.

Palivové články môžu byť umiestnené priamo v budove, čím sa znížia straty pri prenose energie a teplo vzniknuté v dôsledku reakcie sa môže použiť na dodávku tepla alebo teplej vody do budovy. Autonómne zdroje tepla a elektrickej energie môžu byť veľmi prospešné v odľahlých oblastiach a regiónoch, ktoré sa vyznačujú nedostatkom elektriny a jej vysokou cenou, no zároveň sú tu zásoby surovín s obsahom vodíka (ropa, zemný plyn) .

Používajú sa na veľmi odľahlých miestach, kde je jednoduchšie prepravovať palivo ako naťahovať kábel. Môžu tiež začať konkurovať elektrárňam. Toto je najvýkonnejší modul nainštalovaný na svete.

Prakticky každý veľký výrobca automobilov pracuje na projekte elektromobilu s palivovými článkami. Zdá sa, že ide o oveľa sľubnejší koncept ako bežný elektromobil na batérie, pretože nevyžaduje dlhodobé nabíjanie a potrebná zmena infraštruktúry nie je taká rozsiahla.

Výhodou palivových článkov je aj dostupnosť paliva, spoľahlivosť (v palivovom článku nie sú žiadne pohyblivé časti), odolnosť a jednoduchosť obsluhy.

Jedným z hlavných nedostatkov palivových článkov v súčasnosti je ich relatívne vysoká cena, ale tento nedostatok sa dá čoskoro prekonať – čoraz viac spoločností vyrába komerčné vzorky palivových článkov, neustále sa zdokonaľujú a ich cena klesá.

O rastúcom význame palivových článkov svedčí aj fakt, že Bushova administratíva nedávno prehodnotila svoj prístup k vývoju áut a prostriedky, ktoré vynaložil na vývoj áut s čo najvyšším počtom najazdených kilometrov, teraz presúva do projektov palivových článkov. Financovanie rozvoja nezostáva len v bedrách štátu.

Nová koncepcia pohonu sa samozrejme neobmedzuje len na osobné autá, ale nájdeme ju aj v hromadnej doprave. Autobusy na palivové články prepravujú cestujúcich v uliciach viacerých miest. Spolu s automobilovými pohonmi je na trhu množstvo menších pohonov, ako sú napájané počítače, videokamery a mobilné telefóny. Na obrázku vidíme palivový článok na napájanie dopravnej signalizácie.

Čo najefektívnejšie využitie čistého vodíka ako paliva si však vyžiada vytvorenie špeciálnej infraštruktúry na jeho výrobu a prepravu. V súčasnosti všetky komerčné konštrukcie využívajú zemný plyn a podobné palivá. Motorové vozidlá môžu používať bežný benzín, čo umožní zachovať existujúcu rozvinutú sieť čerpacích staníc. Používanie takéhoto paliva však vedie k škodlivým emisiám do atmosféry (hoci veľmi nízkym) a komplikuje (a teda zvyšuje cenu) palivový článok. V budúcnosti sa uvažuje o možnosti využitia ekologických obnoviteľných zdrojov energie (napríklad slnečnej energie alebo veternej energie) elektrolýzou rozložiť vodu na vodík a kyslík a následne premeniť vzniknuté palivo v palivovom článku. Takéto kombinované zariadenia pracujúce v uzavretom cykle môžu byť úplne ekologickým, spoľahlivým, odolným a efektívnym zdrojom energie.

Spomenúť treba využitie palivových článkov na skládkach, kde okrem výroby elektriny dokážu spáliť emisie plynov a prispieť k zlepšeniu životného prostredia. V súčasnosti je v prevádzke niekoľko testovacích zariadení a na 150 testovacích miestach po celých Spojených štátoch prebieha rozsiahly inštalačný program. Palivové články sú len užitočné zariadenia a určite ich uvidíme čoraz viac.

Chemici vyvinuli katalyzátor, ktorý by mohol nahradiť drahú platinu v palivových článkoch. Namiesto toho používa asi dvestotisíc lacného železa. Palivové články premieňajú chemickú energiu na elektrickú energiu. Elektróny v rôznych molekulách majú rôzne energie. Ako zdroj energie možno využiť rozdiel v energii pri premene jednej molekuly na druhú. Stačí nájsť reakciu, pri ktorej sa elektróny pohybujú z vyššieho na nižšie. Takéto reakcie sú hlavným zdrojom energie pre živé organizmy.

Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že sú najúčinnejšie pri súčasnom využívaní elektrickej aj tepelnej energie. Možnosť využitia tepelnej energie však nie je dostupná v každom zariadení. V prípade použitia palivových článkov len na výrobu elektrickej energie ich účinnosť klesá, hoci prevyšuje účinnosť „tradičných“ inštalácií.

Najznámejšie je dýchanie, pri ktorom sa cukry premieňajú na oxid uhličitý a vodu. Vo vodíkovom palivovom článku sa dvojatómové molekuly vodíka spájajú s kyslíkom a vytvárajú vodu. Energetický rozdiel medzi elektrónmi vo vodíku a vode sa využíva na výrobu elektriny. Vodíkové články sú dnes asi najčastejšie používané na pohon áut. Ich masívne rozšírenie zabraňuje aj malému háčiku.

Na to, aby prebehla energeticky bohatá reakcia, je potrebný katalyzátor. Katalyzátory sú molekuly, ktoré zvyšujú pravdepodobnosť reakcie. Bez katalyzátora by to tiež mohlo fungovať, ale menej často alebo pomalšie. Vodíkové články využívajú ako katalyzátor vzácnu platinu.

História a moderné využitie palivových článkov

Princíp fungovania palivových článkov bol objavený v roku 1839. Anglický vedec William Grove (1811-1896) zistil, že proces elektrolýzy - rozklad vody na vodík a kyslík pomocou elektrického prúdu - je reverzibilný, t.j. vodík a kyslík sa môžu spájať do molekúl vody bez spaľovania, ale s uvoľňovanie tepla a elektrického prúdu. Grove nazval zariadenie, v ktorom sa takáto reakcia uskutočnila, „plynová batéria“, ktorá bola prvým palivovým článkom.

Rovnaká reakcia ako vo vodíkových článkoch prebieha aj v živých bunkách. Enzýmy sú relatívne veľké molekuly zložené z aminokyselín, ktoré je možné kombinovať a vytvárať Lego bloky. Každý enzým má takzvané aktívne miesto, kde sa reakcia urýchli. Aktívne miesto tiež často obsahuje molekuly iné ako aminokyseliny.

V prípade kyseliny vodíkovej je to železo. Tímu chemikov pod vedením Morrisa Bullocka z Pacifického laboratória amerického ministerstva energetiky sa podarilo napodobniť reakciu na aktívnom mieste hydrogenácie. Podobne ako enzým, aj platine postačuje hydrogenácia so železom. Dokáže rozdeliť 0,66 až 2 molekuly vodíka za sekundu. Rozdiel v napätí je od 160 do 220 tisíc voltov. Oba sú porovnateľné so súčasnými platinovými katalyzátormi používanými vo vodíkových článkoch. Reakcia sa uskutočňuje pri teplote miestnosti.

Aktívny vývoj technológií palivových článkov sa začal po druhej svetovej vojne a je spojený s leteckým priemyslom. V tom čase sa hľadal účinný a spoľahlivý, no zároveň celkom kompaktný zdroj energie. V 60-tych rokoch si experti NASA (Národný úrad pre letectvo a vesmír, NASA) vybrali palivové články ako zdroj energie pre kozmické lode programov Apollo (lety s ľudskou posádkou na Mesiac), Apollo-Sojuz, Gemini a Skylab. Apollo využívalo tri 1,5 kW jednotky (2,2 kW špičkový výkon) využívajúce kryogénny vodík a kyslík na výrobu elektriny, tepla a vody. Hmotnosť každého zariadenia bola 113 kg. Tieto tri články fungovali paralelne, ale energia generovaná jednou jednotkou stačila na bezpečný návrat. Počas 18 letov nazbierali palivové články celkovo 10 000 hodín bez akýchkoľvek porúch. V súčasnosti sa palivové články využívajú v raketopláne „Space Shuttle“, ktorý využíva tri jednotky s výkonom 12 W, ktoré generujú všetku elektrickú energiu na palube kozmickej lode (obr. 2). Voda získaná ako výsledok elektrochemickej reakcie sa používa ako pitná voda, ako aj na chladiace zariadenia.

Jeden kilogram železa stojí 0,5 koruny. Preto je železo 200 tisíc krát lacnejšie ako platina. V budúcnosti môžu byť palivové články lacnejšie. Drahá platina nie je jediným dôvodom, prečo by sa nemali používať, aspoň nie vo veľkom. Manipulácia s ním je náročná a nebezpečná.

Ak by sa vodíkové komory mali vo veľkom využívať na pohon áut, museli by vybudovať rovnakú infraštruktúru ako benzín a nafta. Okrem toho je meď potrebná na výrobu elektromotorov, ktoré poháňajú vozidlá na vodíkový pohon. To však neznamená, že palivové články sú zbytočné. Keď je ropa, možno nemáme nič iné, len jazdiť na vodík.

Aj u nás sa pracovalo na vytvorení palivových článkov pre využitie v kozmonautike. Palivové články slúžili napríklad na pohon sovietskeho raketoplánu Buran.

Vývoj metód na komerčné využitie palivových článkov sa začal v polovici 60. rokov 20. storočia. Tento vývoj bol čiastočne financovaný vládnymi organizáciami.

V súčasnosti sa vývoj technológií na využitie palivových článkov uberá viacerými smermi. Ide o vytvorenie stacionárnych elektrární na palivové články (pre centralizované aj decentralizované zásobovanie energiou), elektrární vozidiel (vznikli vzorky áut a autobusov na palivové články aj u nás) (obr. 3), resp. aj napájacie zdroje pre rôzne mobilné zariadenia (notebooky, mobilné telefóny a pod.) (obr. 4).

Príklady použitia palivových článkov v rôznych oblastiach sú uvedené v tabuľke. 1.

Jedným z prvých komerčných modelov palivových článkov určených na autonómne zásobovanie teplom a energiou v budovách bol PC25 Model A vyrobený spoločnosťou ONSI Corporation (teraz United Technologies, Inc.). Tento palivový článok s nominálnym výkonom 200 kW patrí k typu článkov s elektrolytom na báze kyseliny fosforečnej (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Číslo "25" v názve modelu znamená sériové číslo dizajnu. Väčšina predchádzajúcich modelov boli experimentálne alebo testovacie kusy, ako napríklad 12,5kW model „PC11“ predstavený v 70. rokoch. Nové modely zvýšili výkon odoberaný z jedného palivového článku a tiež znížili náklady na kilowatt vyrobenej energie. V súčasnosti je jedným z najefektívnejších komerčných modelov palivový článok PC25 Model C. Rovnako ako model „A“ ide o plnoautomatický palivový článok typu PAFC s výkonom 200 kW určený na inštaláciu priamo na obsluhovaný objekt ako nezávislý zdroj tepla a elektriny. Takýto palivový článok môže byť inštalovaný mimo budovy. Navonok je to rovnobežnosten s dĺžkou 5,5 m, šírkou 3 m a výškou 3 m, s hmotnosťou 18 140 kg. Rozdiel oproti predchádzajúcim modelom je vylepšený reformátor a vyššia prúdová hustota.

stôl 1 Rozsah palivových článkov

región aplikácie Ohodnotené moc Príklady použitia Stacionárne inštalácie 5–250 kW a vyššie Autonómne zdroje tepla a elektrickej energie pre obytné, verejné a priemyselné budovy, zdroje neprerušiteľného napájania, záložné a núdzové zdroje energie Prenosný inštalácie 1-50 kW Dopravné značky, chladiarenské nákladné autá a železnice, invalidné vozíky, golfové vozíky, kozmické lode a satelity Mobilné inštalácie 25-150 kW Autá (prototypy vytvorili napr. DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobusy (napr. MAN, Neoplan, Renault) a ďalšie vozidlá, vojnové lode a ponorky Mikrozariadenia 1-500W Mobilné telefóny, notebooky, PDA, rôzne zariadenia spotrebnej elektroniky, moderné vojenské zariadenia

V niektorých typoch palivových článkov môže byť chemický proces obrátený: aplikáciou rozdielu potenciálov na elektródy sa voda môže rozložiť na vodík a kyslík, ktoré sa zhromažďujú na poréznych elektródach. Keď je pripojená záťaž, takýto regeneračný palivový článok začne generovať elektrickú energiu.

Sľubným smerom využitia palivových článkov je ich využitie v spojení s obnoviteľnými zdrojmi energie, ako sú fotovoltické panely či veterné turbíny. Táto technológia vám umožňuje úplne sa vyhnúť znečisteniu ovzdušia. Podobný systém plánujú vytvoriť napríklad v školiacom stredisku Adama Josepha Lewisa v Oberline (pozri ABOK, 2002, č. 5, s. 10). V súčasnosti sa v tejto budove ako jeden zo zdrojov energie využívajú solárne panely. Spolu so špecialistami NASA bol vyvinutý projekt využitia fotovoltaických panelov na výrobu vodíka a kyslíka z vody elektrolýzou. Vodík sa potom používa v palivových článkoch na výrobu elektrickej energie a. To umožní budove zachovať výkon všetkých systémov počas zamračených dní a v noci.

Princíp činnosti palivových článkov

Uvažujme ako príklad princíp činnosti palivového článku s použitím najjednoduchšieho prvku s protónovou výmennou membránou (Proton Exchange Membrane, PEM). Takýto prvok pozostáva z polymérnej membrány umiestnenej medzi anódou (kladná elektróda) ​​a katódou (záporná elektróda) ​​spolu s anódovým a katódovým katalyzátorom. Ako elektrolyt sa používa polymérna membrána. Schéma prvku PEM je znázornená na obr. 5.

Protónová výmenná membrána (PEM) je tenká (približne 2-7 hárkov hrubého obyčajného papiera) tuhá organická zlúčenina. Táto membrána funguje ako elektrolyt: v prítomnosti vody rozdeľuje hmotu na kladne a záporne nabité ióny.

Na anóde prebieha oxidačný proces a na katóde proces redukcie. Anóda a katóda v PEM článku sú vyrobené z porézneho materiálu, ktorý je zmesou častíc uhlíka a platiny. Platina pôsobí ako katalyzátor, ktorý podporuje disociačnú reakciu. Anóda a katóda sú vyrobené porézne na voľný priechod vodíka a kyslíka cez ne.

Anóda a katóda sú umiestnené medzi dvoma kovovými platňami, ktoré privádzajú vodík a kyslík k anóde a katóde a odvádzajú teplo a vodu, ako aj elektrickú energiu.

Molekuly vodíka prechádzajú kanálikmi v platni k anóde, kde sa molekuly rozkladajú na jednotlivé atómy (obr. 6).

	Obrázok 5 () Schematický diagram palivového článku s protónovou výmennou membránou (PEM).
	Obrázok 6 () Molekuly vodíka cez kanály v platni vstupujú do anódy, kde sa molekuly rozkladajú na jednotlivé atómy
	Obrázok 7 () V dôsledku chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora sa atómy vodíka premieňajú na protóny
	Obrázok 8 () Kladne nabité vodíkové ióny difundujú cez membránu ku katóde a tok elektrónov je nasmerovaný na katódu cez vonkajší elektrický obvod, ku ktorému je pripojená záťaž.
	Obrázok 9 () Kyslík privádzaný na katódu v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi z protónovej výmennej membrány a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu. Voda vzniká ako výsledok chemickej reakcie

Potom, ako výsledok chemisorpcie v prítomnosti katalyzátora, sa atómy vodíka, z ktorých každý daruje jeden elektrón e -, premenia na kladne nabité vodíkové ióny H +, t.j. protóny (obr. 7).

Kladne nabité vodíkové ióny (protóny) difundujú cez membránu ku katóde a elektrónový tok smeruje ku katóde cez vonkajší elektrický obvod, na ktorý je pripojená záťaž (spotrebiteľ elektrickej energie) (obr. 8).

Kyslík privádzaný na katódu v prítomnosti katalyzátora vstupuje do chemickej reakcie s vodíkovými iónmi (protónmi) z protónovej výmennej membrány a elektrónmi z vonkajšieho elektrického obvodu (obr. 9). V dôsledku chemickej reakcie vzniká voda.

Chemická reakcia v palivovom článku iného typu (napríklad s kyslým elektrolytom, ktorým je roztok kyseliny fosforečnej H 3 PO 4) je absolútne identická s chemickou reakciou v palivovom článku s protónovou výmennou membránou.

V každom palivovom článku sa časť energie chemickej reakcie uvoľňuje ako teplo.

Tok elektrónov vo vonkajšom obvode je jednosmerný prúd, ktorý sa používa na prácu. Otvorenie vonkajšieho okruhu alebo zastavenie pohybu vodíkových iónov zastaví chemickú reakciu.

Množstvo elektrickej energie produkovanej palivovým článkom závisí od typu palivového článku, geometrických rozmerov, teploty, tlaku plynu. Jediný palivový článok poskytuje EMF menšie ako 1,16 V. Je možné zväčšiť veľkosť palivových článkov, ale v praxi sa používa niekoľko článkov spojených v batériách (obr. 10).

Zariadenie na palivové články

Zoberme si zariadenie palivových článkov na príklade modelu PC25 Model C. Schéma palivového článku je znázornená na obr. jedenásť.

Palivový článok „PC25 Model C“ pozostáva z troch hlavných častí: palivového procesora, vlastnej časti na výrobu energie a meniča napätia.

Hlavnou časťou palivového článku - sekciou na výrobu energie - je batéria zložená z 256 jednotlivých palivových článkov. Zloženie elektród palivových článkov zahŕňa platinový katalyzátor. Prostredníctvom týchto článkov vzniká jednosmerný elektrický prúd 1 400 ampérov pri napätí 155 voltov. Rozmery batérie sú približne 2,9 m na dĺžku a 0,9 m na šírku a výšku.

Keďže elektrochemický proces prebieha pri teplote 177 °C, je potrebné batériu v čase spustenia zahriať a počas prevádzky z nej odoberať teplo. Na tento účel obsahuje palivový článok samostatný vodný okruh a batéria je vybavená špeciálnymi chladiacimi doskami.

Palivový procesor umožňuje premeniť zemný plyn na vodík, ktorý je nevyhnutný pre elektrochemickú reakciu. Tento proces sa nazýva reformácia. Hlavným prvkom procesora paliva je reformátor. V reformátore zemný plyn (alebo iné palivo obsahujúce vodík) reaguje s parou pri vysokej teplote (900 °C) a vysokom tlaku v prítomnosti niklového katalyzátora. Prebiehajú nasledujúce chemické reakcie:

CH4 (metán) + H203H2 + CO

(endotermická reakcia s absorpciou tepla);

CO + H20 H2 + CO2

(reakcia je exotermická, s uvoľňovaním tepla).

Celková reakcia je vyjadrená rovnicou:

CH4 (metán) + 2H204H2 + C02

(reakcia endotermická, s absorpciou tepla).

Aby sa zabezpečila vysoká teplota potrebná na konverziu zemného plynu, časť vyhoreného paliva zo zásobníka palivových článkov smeruje do horáka, ktorý udržiava reformátor na požadovanej teplote.

Para potrebná na reformovanie sa vytvára z kondenzátu vznikajúceho počas prevádzky palivového článku. V tomto prípade sa využíva teplo odvádzané zo zásobníka palivových článkov (obr. 12).

Zostava palivových článkov generuje prerušovaný jednosmerný prúd, ktorý sa vyznačuje nízkym napätím a vysokým prúdom. Na premenu na priemyselný štandard AC sa používa menič napätia. Okrem toho jednotka meniča napätia obsahuje rôzne ovládacie zariadenia a bezpečnostné blokovacie obvody, ktoré umožňujú vypnutie palivového článku v prípade rôznych porúch.

V takomto palivovom článku je možné premeniť približne 40 % energie v palive na elektrickú energiu. Približne rovnaké množstvo, asi 40 % energie paliva, je možné premeniť na tepelnú energiu, ktorá sa následne využíva ako zdroj tepla na vykurovanie, zásobovanie teplou vodou a podobné účely. Celková účinnosť takéhoto zariadenia teda môže dosiahnuť 80%.

Dôležitou výhodou takéhoto zdroja tepla a elektriny je možnosť jeho automatickej prevádzky. Na údržbu nemusia majitelia zariadenia, na ktorom je palivový článok nainštalovaný, udržiavať špeciálne vyškolený personál - pravidelnú údržbu môžu vykonávať zamestnanci prevádzkovej organizácie.

Typy palivových článkov

V súčasnosti je známych niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia zložením použitého elektrolytu. Najrozšírenejšie sú tieto štyri typy (tabuľka 2):

1. Palivové články s protónovou výmennou membránou (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Palivové články na báze kyseliny ortofosforečnej (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Palivové články na báze roztaveného uhličitanu (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Palivové články s pevným oxidom (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). V súčasnosti je najväčšia flotila palivových článkov postavená na báze technológie PAFC.

Jednou z kľúčových charakteristík rôznych typov palivových článkov je prevádzková teplota. V mnohých ohľadoch je to teplota, ktorá určuje rozsah palivových článkov. Napríklad vysoké teploty sú kritické pre notebooky, preto sa pre tento segment trhu vyvíjajú palivové články s protónovou výmennou membránou s nízkymi prevádzkovými teplotami.

Pre autonómne napájanie budov sú potrebné palivové články s vysokou inštalovanou kapacitou a zároveň je možné využívať tepelnú energiu, preto možno na tieto účely použiť aj iné typy palivových článkov.

Protónové výmenné membránové palivové články (PEMFC)

Tieto palivové články pracujú pri relatívne nízkych prevádzkových teplotách (60-160°C). Vyznačujú sa vysokou hustotou výkonu, umožňujú rýchle nastavenie výstupného výkonu a dajú sa rýchlo zapnúť. Nevýhodou tohto typu prvkov sú vysoké požiadavky na kvalitu paliva, pretože znečistené palivo môže poškodiť membránu. Nominálny výkon palivových článkov tohto typu je 1-100 kW.

Palivové články s protónovou výmennou membránou boli pôvodne vyvinuté spoločnosťou General Electric Corporation v 60. rokoch pre NASA. Tento typ palivového článku využíva polymérny elektrolyt v tuhom stave nazývaný protónová výmenná membrána (PEM). Protóny sa môžu pohybovať cez membránu na výmenu protónov, ale elektróny cez ňu nemôžu prechádzať, čo vedie k potenciálnemu rozdielu medzi katódou a anódou. Vďaka svojej jednoduchosti a spoľahlivosti boli takéto palivové články použité ako zdroj energie na kozmickej lodi Gemini s posádkou.

Tento typ palivových článkov sa používa ako zdroj energie pre širokú škálu rôznych zariadení, vrátane prototypov a prototypov, od mobilných telefónov po autobusy a stacionárne energetické systémy. Nízka prevádzková teplota umožňuje použitie takýchto článkov na napájanie rôznych typov zložitých elektronických zariadení. Menej efektívne je ich využitie ako zdroja tepla a elektrickej energie pre verejné a priemyselné budovy, kde je potrebné veľké množstvo tepelnej energie. Takéto prvky sú zároveň perspektívne ako autonómny zdroj napájania pre malé obytné budovy, ako sú chaty postavené v regiónoch s horúcou klímou.

tabuľka 2 Typy palivových článkov

Typ položky pracovníkov teplota, °C efektívnosť výstupu elektrické energia), % Celkom Účinnosť, % Palivové články s membrána na výmenu protónov (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 palivové články na báze ortofosforečnej kyselina (fosforečná) (PAFC) 150–200 35 70–80 Na báze palivových článkov roztavený uhličitan (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oxid v tuhom stave palivové články (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)

Testy palivových článkov tohto typu sa uskutočnili už začiatkom 70. rokov minulého storočia. Rozsah prevádzkových teplôt - 150-200 °C. Hlavnou oblasťou použitia sú autonómne zdroje tepla a napájanie stredného výkonu (cca 200 kW).

Elektrolytom používaným v týchto palivových článkoch je roztok kyseliny fosforečnej. Elektródy sú vyrobené z papiera potiahnutého uhlíkom, v ktorom je rozptýlený platinový katalyzátor.

Elektrická účinnosť palivových článkov PAFC je 37-42%. Keďže však tieto palivové články pracujú pri dostatočne vysokej teplote, je možné využiť paru, ktorá vzniká ako výsledok prevádzky. V tomto prípade môže celková účinnosť dosiahnuť 80%.

Na výrobu energie sa musí surovina obsahujúca vodík premeniť na čistý vodík prostredníctvom procesu reformovania. Napríklad, ak sa ako palivo používa benzín, zlúčeniny síry sa musia odstrániť, pretože síra môže poškodiť platinový katalyzátor.

Palivové články PAFC boli prvé komerčné palivové články, ktoré boli ekonomicky opodstatnené. Najbežnejším modelom bol 200 kW palivový článok PC25 vyrábaný spoločnosťou ONSI Corporation (dnes United Technologies, Inc.) (obr. 13). Tieto prvky sa napríklad používajú ako zdroj tepla a elektriny na policajnej stanici v newyorskom Central Parku alebo ako doplnkový zdroj energie pre Conde Nast Building & Four Times Square. Najväčšia elektráreň tohto typu sa testuje ako 11 MW elektráreň umiestnená v Japonsku.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej sa používajú aj ako zdroj energie vo vozidlách. Napríklad v roku 1994 H-Power Corp., Georgetown University a Ministerstvo energetiky USA vybavili autobus 50 kW elektrárňou.

Roztavené karbonátové palivové články (MCFC)

Palivové články tohto typu pracujú pri veľmi vysokých teplotách - 600-700 °C. Tieto prevádzkové teploty umožňujú použitie paliva priamo v samotnom článku bez potreby samostatného reformátora. Tento proces sa nazýva „vnútorná reforma“. Umožňuje výrazne zjednodušiť konštrukciu palivového článku.

Palivové články na báze roztaveného uhličitanu vyžadujú značný čas nábehu a neumožňujú rýchle nastavenie výstupného výkonu, takže ich hlavnou oblasťou použitia sú veľké stacionárne zdroje tepla a elektriny. Vyznačujú sa však vysokou účinnosťou premeny paliva - 60% elektrická účinnosť a až 85% celková účinnosť.

V tomto type palivového článku sa elektrolyt skladá z uhličitanu draselného a solí uhličitanu lítneho zahriatych na približne 650 °C. Za týchto podmienok sú soli v roztavenom stave a tvoria elektrolyt. Na anóde vodík interaguje s iónmi CO 3, pričom sa tvorí voda, oxid uhličitý a uvoľňujú sa elektróny, ktoré sa posielajú do vonkajšieho okruhu, a na katóde kyslík interaguje s oxidom uhličitým a elektrónmi z vonkajšieho okruhu, čím sa opäť vytvárajú ióny CO 3.

Laboratórne vzorky palivových článkov tohto typu vytvorili koncom 50. rokov 20. storočia holandskí vedci G. H. J. Broers a J. A. A. Ketelaar. V 60. rokoch s týmito prvkami pracoval inžinier Francis T. Bacon, potomok slávneho anglického spisovateľa a vedca zo 17. storočia, a preto sa palivové články MCFC niekedy označujú ako prvky Bacon. Programy NASA Apollo, Apollo-Soyuz a Scylab používali ako zdroj energie práve takéto palivové články (obr. 14). V tých istých rokoch americké vojenské oddelenie testovalo niekoľko vzoriek palivových článkov MCFC vyrobených spoločnosťou Texas Instruments, v ktorých sa ako palivo používali armádne benzíny. V polovici 70. rokov minulého storočia začalo americké ministerstvo energetiky s výskumom vývoja stacionárneho palivového článku z roztaveného uhličitanu vhodného pre praktické aplikácie. V 90. rokoch bolo do prevádzky uvedené množstvo komerčných jednotiek s výkonom do 250 kW, napríklad na americkej námornej leteckej stanici Miramar v Kalifornii. V roku 1996 spoločnosť FuelCell Energy, Inc. uviedla do prevádzky predsériový závod s výkonom 2 MW v Santa Clare v Kalifornii.

Oxidové palivové články v tuhom stave (SOFC)

Oxidové palivové články v tuhom stave majú jednoduchú konštrukciu a pracujú pri veľmi vysokých teplotách - 700-1000 °C. Takéto vysoké teploty umožňujú použitie pomerne „špinavého“, nerafinovaného paliva. Rovnaké vlastnosti ako v palivových článkoch na báze roztaveného uhličitanu určujú podobnú oblasť použitia - veľké stacionárne zdroje tepla a elektriny.

Palivové články s pevným oxidom sa štrukturálne líšia od palivových článkov založených na technológiách PAFC a MCFC. Anóda, katóda a elektrolyt sú vyrobené zo špeciálnej keramiky. Najčastejšie sa ako elektrolyt používa zmes oxidu zirkoničitého a oxidu vápenatého, ale môžu sa použiť aj iné oxidy. Elektrolyt tvorí kryštálovú mriežku potiahnutú na oboch stranách poréznym elektródovým materiálom. Štrukturálne sú takéto prvky vyrobené vo forme rúrok alebo plochých dosiek, čo umožňuje pri ich výrobe použiť technológie široko používané v elektronickom priemysle. Vďaka tomu môžu palivové články s oxidom v tuhom stave pracovať pri veľmi vysokých teplotách, takže ich možno použiť na výrobu elektrickej aj tepelnej energie.

Pri vysokých prevádzkových teplotách sa na katóde tvoria kyslíkové ióny, ktoré migrujú cez kryštálovú mriežku na anódu, kde interagujú s vodíkovými iónmi, tvoria vodu a uvoľňujú voľné elektróny. V tomto prípade sa vodík uvoľňuje zo zemného plynu priamo v článku, to znamená, že nie je potrebný samostatný reformátor.

Teoretické základy pre vytvorenie palivových článkov s oxidom v tuhom stave boli položené koncom 30. rokov 20. storočia, keď švajčiarski vedci Bauer (Emil Bauer) a Preis (H. Preis) experimentovali so zirkónom, ytriom, cérom, lantánom a volfrámom. ako elektrolyty.

Prvé prototypy takýchto palivových článkov boli vytvorené koncom 50. rokov 20. storočia množstvom amerických a holandských spoločností. Väčšina z týchto spoločností čoskoro opustila ďalší výskum kvôli technologickým ťažkostiam, ale jedna z nich, Westinghouse Electric Corp. (teraz "Siemens Westinghouse Power Corporation"), pokračovali v práci. Spoločnosť v súčasnosti prijíma predbežné objednávky na komerčný model rúrkového topologického palivového článku s pevným oxidom, ktorý sa očakáva v tomto roku (obrázok 15). Trhovým segmentom takýchto prvkov sú stacionárne zariadenia na výrobu tepla a elektrickej energie s výkonom od 250 kW do 5 MW.

Palivové články typu SOFC preukázali veľmi vysokú spoľahlivosť. Napríklad prototyp palivového článku Siemens Westinghouse zaznamenal 16 600 hodín a pokračuje v prevádzke, čo z neho robí najdlhšiu nepretržitú životnosť palivového článku na svete.

Vysokoteplotný a vysokotlakový prevádzkový režim palivových článkov SOFC umožňuje vytváranie hybridných zariadení, v ktorých emisie palivových článkov poháňajú plynové turbíny používané na výrobu elektriny. Prvý takýto hybridný závod je v prevádzke v Irvine v Kalifornii. Menovitý výkon tohto zariadenia je 220 kW, z toho 200 kW z palivového článku a 20 kW z generátora mikroturbíny.

palivový článok- ide o elektrochemické zariadenie podobné galvanickému článku, ale líši sa od neho tým, že látky na elektrochemickú reakciu sú doň privádzané zvonku - na rozdiel od obmedzeného množstva energie uloženej v galvanickom článku alebo batérii.

Ryža. 1. Niektoré palivové články

Palivové články premieňajú chemickú energiu paliva na elektrickú energiu a obchádzajú tak neefektívne spaľovacie procesy, ku ktorým dochádza s veľkými stratami. V dôsledku chemickej reakcie premieňajú vodík a kyslík na elektrickú energiu. V dôsledku tohto procesu vzniká voda a uvoľňuje sa veľké množstvo tepla. Palivový článok je veľmi podobný batérii, ktorú je možné nabiť a následne použiť na uskladnenie elektrickej energie. Vynálezcom palivového článku je William R. Grove, ktorý ho vynašiel už v roku 1839. V tomto palivovom článku bol ako elektrolyt použitý roztok kyseliny sírovej a ako palivo vodík, ktorý sa zlúčil s kyslíkom v oxidačnom médiu. Donedávna sa palivové články používali len v laboratóriách a na kozmických lodiach.

Na rozdiel od iných generátorov energie, ako sú spaľovacie motory alebo turbíny poháňané plynom, uhlím, ropou atď., palivové články nespaľujú palivo. To znamená žiadne hlučné vysokotlakové rotory, žiadny hlasný hluk výfuku, žiadne vibrácie. Palivové články vyrábajú elektrinu tichou elektrochemickou reakciou. Ďalšou vlastnosťou palivových článkov je, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrinu, teplo a vodu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý, metán a oxid dusný. Jedinými produktmi, ktoré palivové články vypúšťajú, je voda vo forme pary a malé množstvo oxidu uhličitého, ktorý sa pri použití čistého vodíka ako paliva neuvoľňuje vôbec. Palivové články sú zostavené do zostáv a následne do samostatných funkčných modulov.

Palivové články nemajú pohyblivé časti (aspoň nie vo vnútri samotného článku), a tak sa neriadia Carnotovým zákonom. To znamená, že budú mať viac ako 50% účinnosť a sú obzvlášť účinné pri nízkom zaťažení. Vozidlá s palivovými článkami teda môžu byť (a už sa preukázalo, že sú) palivovo úspornejšie ako konvenčné vozidlá v reálnych jazdných podmienkach.

Palivový článok generuje jednosmerný elektrický prúd, ktorý možno použiť na pohon elektrického motora, svietidiel a iných elektrických systémov vo vozidle.

Existuje niekoľko typov palivových článkov, ktoré sa líšia použitými chemickými procesmi. Palivové články sa zvyčajne klasifikujú podľa typu elektrolytu, ktorý používajú.

Niektoré typy palivových článkov sú perspektívne pre použitie ako elektrárne v elektrárňach, zatiaľ čo iné sú pre prenosné zariadenia alebo pre pohon áut.

1. Alkalické palivové články (AFC)

Alkalický palivový článok- Toto je jeden z úplne prvých vyvinutých prvkov. Alkalické palivové články (ALFC) sú jednou z najštudovanejších technológií používaných od polovice 60. rokov 20. storočia NASA v programoch Apollo a Space Shuttle. Na palube týchto kozmických lodí vyrábajú palivové články elektrinu a pitnú vodu.

Alkalické palivové články patria medzi najefektívnejšie články používané na výrobu elektriny, pričom účinnosť výroby energie dosahuje až 70 %.

Alkalické palivové články využívajú elektrolyt, teda vodný roztok hydroxidu draselného, ​​obsiahnutý v poréznej stabilizovanej matrici. Koncentrácia hydroxidu draselného sa môže meniť v závislosti od prevádzkovej teploty palivového článku, ktorá sa pohybuje od 65 °C do 220 °C. Nosičom náboja v SFC je hydroxidový ión (OH-), ktorý sa pohybuje z katódy na anódu, kde reaguje s vodíkom za vzniku vody a elektrónov. Voda produkovaná na anóde sa vracia späť ku katóde, kde opäť vytvára hydroxidové ióny. V dôsledku tejto série reakcií prebiehajúcich v palivovom článku vzniká elektrina a ako vedľajší produkt teplo:

Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H20 + 4e

Reakcia na katóde: 02 + 2H20 + 4e- => 4OH

Všeobecná reakcia systému: 2H2 + O2 => 2H2O

Výhodou SFC je, že tieto palivové články sú najlacnejšie na výrobu, pretože katalyzátorom potrebným na elektródach môže byť ktorákoľvek z látok, ktoré sú lacnejšie ako tie, ktoré sa používajú ako katalyzátory pre iné palivové články. Okrem toho SFC pracujú pri relatívne nízkych teplotách a patria medzi najúčinnejšie.

Jednou z charakteristických vlastností SFC je jeho vysoká citlivosť na CO2, ktorý môže byť obsiahnutý v palive alebo vzduchu. CO2 reaguje s elektrolytom, rýchlo ho otrávi a výrazne znižuje účinnosť palivového článku. Preto je použitie SFC obmedzené na uzavreté priestory, ako sú vesmírne a podvodné vozidlá, fungujú na čistý vodík a kyslík.

2. Palivové články z taveniny uhličitanu (MCFC)

Palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom sú vysokoteplotné palivové články. Vysoká prevádzková teplota umožňuje priame využitie zemného plynu bez palivového procesora a palivového plynu s nízkou výhrevnosťou z procesných palív a iných zdrojov. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60. rokov 20. storočia. Odvtedy sa výrobná technológia, výkon a spoľahlivosť zlepšili.

Prevádzka RCFC sa líši od ostatných palivových článkov. Tieto články využívajú elektrolyt zo zmesi roztavených uhličitanových solí. V súčasnosti sa používajú dva typy zmesí: uhličitan lítny a uhličitan draselný alebo uhličitan lítny a uhličitan sodný. Na roztavenie uhličitanových solí a dosiahnutie vysokého stupňa mobility iónov v elektrolyte pracujú palivové články s roztaveným uhličitanovým elektrolytom pri vysokých teplotách (650°C). Účinnosť sa pohybuje medzi 60-80%.

Pri zahriatí na teplotu 650°C sa soli stanú vodičmi pre uhličitanové ióny (CO32-). Tieto ióny putujú z katódy na anódu, kde sa spájajú s vodíkom za vzniku vody, oxidu uhličitého a voľných elektrónov. Tieto elektróny sa posielajú cez vonkajší elektrický obvod späť ku katóde, pričom ako vedľajší produkt generujú elektrický prúd a teplo.

Anódová reakcia: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcia na katóde: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Všeobecná reakcia prvku: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2 (katóda) => H2O(g) + CO2 (anóda)

Vysoké prevádzkové teploty palivových článkov s roztaveným uhličitanom majú určité výhody. Výhodou je možnosť použitia štandardných materiálov (nerezový plech a niklový katalyzátor na elektródach). Odpadové teplo je možné využiť na výrobu vysokotlakovej pary. Vysoké reakčné teploty v elektrolyte majú tiež svoje výhody. Použitie vysokých teplôt trvá dlho, kým sa dosiahnu optimálne prevádzkové podmienky, a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Tieto charakteristiky umožňujú použitie systémov palivových článkov s roztaveným uhličitanovým elektrolytom v podmienkach konštantného výkonu. Vysoké teploty zabraňujú poškodeniu palivového článku oxidom uhoľnatým, „otrave“ atď.

Palivové články s roztaveným uhličitanom sú vhodné na použitie vo veľkých stacionárnych inštaláciách. Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom 2,8 MW. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

3. Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (PFC)

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej). sa stali prvými palivovými článkami na komerčné využitie. Tento proces bol vyvinutý v polovici 60-tych rokov XX storočia, testy sa uskutočňovali od 70-tych rokov XX storočia. V dôsledku toho sa zvýšila stabilita a výkon a znížili sa náklady.

Palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) využívajú elektrolyt na báze kyseliny ortofosforečnej (H3PO4) s koncentráciou až 100 %. Iónová vodivosť kyseliny fosforečnej je pri nízkych teplotách nízka, preto sa tieto palivové články používajú pri teplotách do 150-220 °C.

Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je vodík (H+, protón). Podobný proces prebieha v palivových článkoch s protónovou výmennou membránou (MEFC), v ktorých sa vodík dodávaný do anódy štiepi na protóny a elektróny. Protóny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s kyslíkom zo vzduchu na katóde za vzniku vody. Elektróny sú nasmerované pozdĺž vonkajšieho elektrického obvodu a vytvára sa elektrický prúd. Nižšie sú uvedené reakcie, ktoré vytvárajú elektrinu a teplo.

Anódová reakcia: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcia na katóde: 02(g) + 4H+ + 4e- => 2H20

Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť palivových článkov na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) je pri výrobe elektrickej energie viac ako 40 %. Pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je celková účinnosť cca 85 %. Okrem toho, vzhľadom na prevádzkové teploty, odpadové teplo môže byť použité na ohrev vody a výrobu pary pri atmosférickom tlaku.

Vysoký výkon tepelných elektrární na palivové články na báze kyseliny fosforečnej (ortofosforečnej) pri kombinovanej výrobe tepla a elektriny je jednou z výhod tohto typu palivových článkov. Závody využívajú oxid uhoľnatý v koncentrácii okolo 1,5 %, čo značne rozširuje výber paliva. Výhodou takýchto palivových článkov je aj jednoduchá konštrukcia, nízka prchavosť elektrolytu a zvýšená stabilita.

Priemyselne sa vyrábajú tepelné elektrárne s výstupným elektrickým výkonom do 400 kW. Zariadenia s výkonom 11 MW prešli príslušnými skúškami. Vyvíjajú sa elektrárne s výstupným výkonom do 100 MW.

4. Palivové články s protónovou výmennou membránou (MOFEC)

Palivové články s membránou na výmenu protónov sa považujú za najlepší typ palivových článkov na výrobu energie vo vozidlách, ktoré môžu nahradiť benzínové a naftové spaľovacie motory. Tieto palivové články prvýkrát použila NASA pre program Gemini. Sú vyvinuté a zobrazené inštalácie na MOPFC s výkonom od 1 W do 2 kW.

Elektrolytom v týchto palivových článkoch je pevná polymérna membrána (tenká plastová fólia). Pri impregnácii vodou tento polymér prechádza protónmi, ale nevedie elektróny.

Palivom je vodík a nosičom náboja je vodíkový ión (protón). Na anóde sa molekula vodíka rozdelí na vodíkový ión (protón) a elektróny. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt ku katóde, zatiaľ čo elektróny sa pohybujú po vonkajšom kruhu a produkujú elektrickú energiu. Kyslík, ktorý sa odoberá zo vzduchu, sa privádza na katódu a spája sa s elektrónmi a vodíkovými iónmi za vzniku vody. Na elektródach prebiehajú tieto reakcie: Anódová reakcia: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatódová reakcia: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHCelková reakcia článku: 2H2 + O2 => 2H2O V porovnaní s inými typmi palivových článkov, palivové články s protónovou výmennou membránou produkujú viac energie pre daný objem alebo hmotnosť palivového článku. Táto funkcia im umožňuje byť kompaktné a ľahké. Prevádzková teplota je navyše nižšia ako 100 °C, čo umožňuje rýchle spustenie prevádzky. Tieto vlastnosti, ako aj schopnosť rýchlo meniť výstup energie, sú len niektoré, vďaka ktorým sú tieto palivové články hlavným kandidátom na použitie vo vozidlách.

Ďalšou výhodou je, že elektrolyt je skôr pevná látka ako kvapalina. Je jednoduchšie udržať plyny na katóde a anóde s pevným elektrolytom, takže takéto palivové články sú lacnejšie na výrobu. Pri použití pevného elektrolytu nevznikajú žiadne ťažkosti, ako je orientácia, a menej problémov v dôsledku výskytu korózie, čo zvyšuje životnosť článku a jeho komponentov.

5. Palivové články na tuhé oxidy (SOFC)

Palivové články s pevným oxidom sú palivové články s najvyššou prevádzkovou teplotou. Prevádzková teplota sa môže meniť od 600°C do 1000°C, čo umožňuje použitie rôznych druhov paliva bez špeciálnej predúpravy. Na zvládnutie týchto vysokých teplôt sa ako elektrolyt používa tenký pevný oxid kovu na keramickej báze, často zliatina ytria a zirkónu, čo je vodič kyslíkových (O2-) iónov. Technológia využívania palivových článkov s pevným oxidom sa vyvíja od konca 50. rokov minulého storočia a má dve konfigurácie: rovinnú a rúrkovú.

Pevný elektrolyt poskytuje hermetický prechod plynu z jednej elektródy na druhú, zatiaľ čo kvapalné elektrolyty sú umiestnené v poréznom substráte. Nosičom náboja v palivových článkoch tohto typu je kyslíkový ión (О2-). Na katóde sa molekuly kyslíka oddelia zo vzduchu na kyslíkový ión a štyri elektróny. Kyslíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a spájajú sa s vodíkom za vzniku štyroch voľných elektrónov. Elektróny sú nasmerované cez vonkajší elektrický obvod, ktorý generuje elektrický prúd a odpadové teplo.

Anódová reakcia: 2H2 + 202- => 2H20 + 4e

Reakcia na katóde: O2 + 4e- => 2O2-

Všeobecná reakcia prvkov: 2H2 + O2 => 2H2O

Účinnosť výroby elektrickej energie je najvyššia zo všetkých palivových článkov – okolo 60 %. Okrem toho vysoké prevádzkové teploty umožňujú kombinovanú výrobu tepla a elektriny na výrobu vysokotlakovej pary. Spojením vysokoteplotného palivového článku s turbínou vzniká hybridný palivový článok na zvýšenie účinnosti výroby elektrickej energie až o 70 %.

Palivové články s pevným oxidom pracujú pri veľmi vysokých teplotách (600 °C – 1 000 °C), čo má za následok značný čas na dosiahnutie optimálnych prevádzkových podmienok a systém pomalšie reaguje na zmeny spotreby energie. Pri takýchto vysokých prevádzkových teplotách nie je potrebný žiadny konvertor na regeneráciu vodíka z paliva, čo umožňuje prevádzke tepelnej elektrárne s relatívne nečistými palivami zo splyňovania uhlia alebo odpadových plynov a podobne. Tento palivový článok je tiež vynikajúci pre aplikácie s vysokým výkonom, vrátane priemyselných a veľkých centrálnych elektrární. Priemyselne vyrábané moduly s výstupným elektrickým výkonom 100 kW.

6. Palivové články s priamou oxidáciou metanolu (DOMTE)

Palivové články s priamou oxidáciou metanolu sa úspešne používajú v oblasti napájania mobilných telefónov, notebookov, ako aj na vytváranie prenosných zdrojov energie, k čomu smeruje budúce využitie takýchto prvkov.

Štruktúra palivových článkov s priamou oxidáciou metanolu je podobná štruktúre palivových článkov s protónovou výmennou membránou (MOFEC), t.j. ako elektrolyt sa používa polymér a ako nosič náboja ión vodíka (protón). Kvapalný metanol (CH3OH) sa však oxiduje v prítomnosti vody na anóde, pričom sa uvoľňuje CO2, vodíkové ióny a elektróny, ktoré sú posielané cez vonkajší elektrický obvod a vzniká elektrický prúd. Vodíkové ióny prechádzajú cez elektrolyt a reagujú s kyslíkom zo vzduchu a elektrónmi z vonkajšieho okruhu za vzniku vody na anóde.

Anódová reakcia: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Katódová reakcia: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Celková reakcia prvkov: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 90. roky 20. storočia a ich špecifický výkon a účinnosť sa zvýšili na 40 %.

Tieto prvky boli testované v teplotnom rozsahu 50-120°C. Vzhľadom na nízke prevádzkové teploty a bez potreby meniča sú tieto palivové články tým najlepším kandidátom pre aplikácie v mobilných telefónoch a iných spotrebných produktoch, ako aj v motoroch automobilov. Ich výhodou sú aj malé rozmery.

7. Palivové články s polymérovým elektrolytom (PETE)

V prípade palivových článkov s polymérnym elektrolytom pozostáva polymérna membrána z polymérových vlákien s vodnými oblasťami, v ktorých je vodivosť vodných iónov H2O+ (protón, červená) naviazaná na molekulu vody. Molekuly vody predstavujú problém v dôsledku pomalej výmeny iónov. Preto je potrebná vysoká koncentrácia vody ako v palive, tak aj na výfukových elektródach, čo obmedzuje prevádzkovú teplotu na 100°C.

8. Tuhé kyslé palivové články (SCFC)

V pevných kyslých palivových článkoch elektrolyt (CsHSO4) neobsahuje vodu. Prevádzková teplota je teda 100-300°C. Rotácia SO42-oxyaniónov umožňuje pohyb protónov (červená), ako je znázornené na obrázku. Palivový článok s tuhou kyselinou je typicky sendvič, v ktorom je veľmi tenká vrstva tuhej kyslej zlúčeniny vložená medzi dve tesne stlačené elektródy, aby sa zabezpečil dobrý kontakt. Pri zahriatí sa organická zložka vyparí, opustí póry v elektródach, pričom si zachová schopnosť početných kontaktov medzi palivom (alebo kyslíkom na druhom konci článku), elektrolytom a elektródami.

9. Porovnanie najdôležitejších charakteristík palivových článkov

Charakteristika palivového článku

Typ palivového článku	Pracovná teplota	Účinnosť výroby energie	Druh paliva	Rozsah
				Stredné a veľké inštalácie
			čistý vodík	inštalácie
			čistý vodík	Malé inštalácie
			Väčšina uhľovodíkových palív	Malé, stredné a veľké inštalácie
				prenosný inštalácie
			čistý vodík	Priestor preskúmané
			čistý vodík	Malé inštalácie

10. Použitie palivových článkov v automobiloch

Vo svetle nedávnych udalostí súvisiacich s prehrievaním, požiarmi a dokonca aj výbuchmi notebookov vinou lítium-iónových batérií sa nedá nespomenúť na nové alternatívne technológie, ktoré podľa väčšiny odborníkov budú v budúcnosti schopné doplniť alebo nahradiť dnes tradičné batérie. Hovoríme o nových zdrojoch energie – palivových článkoch.

Podľa orientačného pravidla, ktoré pred 40 rokmi sformuloval jeden zo zakladateľov spoločnosti Intel Gordon Moore, sa výkon procesora zdvojnásobuje každých 18 mesiacov. Batérie nedokážu držať krok s čipmi. Ich kapacita sa podľa odborníkov zvyšuje len o 10 % ročne.

Palivový článok funguje na báze bunkovej (poréznej) membrány, ktorá oddeľuje anódový a katódový priestor palivového článku. Táto membrána je na oboch stranách potiahnutá vhodnými katalyzátormi. Do anódy sa privádza palivo, v tomto prípade sa používa roztok metanolu (metylalkohol). V dôsledku chemickej reakcie rozkladu paliva vznikajú voľné náboje, ktoré prenikajú cez membránu až ku katóde. Elektrický obvod sa tak uzavrie a vytvorí sa v ňom elektrický prúd na napájanie zariadenia. Tento typ palivového článku sa nazýva priamy metanolový palivový článok (DMFC). Vývoj palivových článkov sa začal už dávno, ale prvé výsledky, ktoré viedli k hovoreniu o skutočnej konkurencii s lítium-iónovými batériami, boli dosiahnuté až v posledných dvoch rokoch.

V roku 2004 bolo na trhu takýchto zariadení asi 35 výrobcov, ale len málo spoločností dokázalo deklarovať výrazný úspech v tejto oblasti. V januári Fujitsu predstavilo svoj vývoj - batéria mala hrúbku 15 mm a obsahovala 300 mg 30% metanolového roztoku. Výkon 15 W jej umožnil poskytnúť notebook na 8 hodín. O mesiac neskôr malá spoločnosť PolyFuel ako prvá oznámila komerčnú výrobu práve tých membrán, ktorými by mali byť vybavené palivové zdroje. A už v marci Toshiba predviedla prototyp mobilného počítača, ktorý beží na palivo. Výrobca tvrdil, že takýto notebook môže vydržať až päťkrát dlhšie ako notebook využívajúci klasickú batériu.

V roku 2005 spoločnosť LG Chem oznámila vytvorenie svojho palivového článku. Na jeho vývoj sa minulo asi 5 rokov a 5 miliárd dolárov. Vďaka tomu bolo možné vytvoriť zariadenie s výkonom 25 W a hmotnosťou 1 kg, pripojené k notebooku cez USB rozhranie a zabezpečujúce jeho prevádzku po dobu 10 hodín. Aj tento rok 2006 sa niesol v znamení viacerých zaujímavých udalostí. Americkí vývojári z Ultracell predviedli najmä palivový článok, ktorý poskytuje výkon 25 W a je vybavený tromi vymeniteľnými kazetami so 67 % metanolu. Je schopný poskytnúť energiu notebooku po dobu 24 hodín. Hmotnosť batérie bola približne kilogram, každá kazeta vážila približne 260 gramov.

Okrem toho, že metanolové batérie dokážu poskytnúť väčšiu kapacitu ako lítium-iónové batérie, sú nevýbušné. Medzi nevýhody patrí ich pomerne vysoká cena a potreba pravidelnej výmeny metanolových kaziet.

Ak palivové batérie nenahrádzajú tradičné, potom sa s najväčšou pravdepodobnosťou dajú použiť v spojení s nimi. Podľa odborníkov bude trh s palivovými článkami v roku 2006 predstavovať približne 600 miliónov dolárov, čo je pomerne skromné ​​číslo. Do roku 2010 však odborníci predpovedajú trojnásobný nárast – až 1,9 miliardy dolárov.

Diskusia k článku "Alkoholové batérie nahrádzajú lítium"

zemineng

Sakra, našla som informácie o tomto zariadení v časopise pre ženy.
No, dovoľte mi k tomu povedať pár slov:
1: nevýhodou je, že po 6-10 hodinách práce budete musieť hľadať novú kazetu a je to drahé. Načo by som mal míňať peniaze na tento nezmysel
2: pokiaľ som pochopil, po prijatí energie z metylalkoholu by sa mala uvoľniť voda. Notebook a voda sú nezlučiteľné veci.
3: Prečo píšeš do ženských časopisov? Súdiac podľa komentárov „Nič neviem.“ a „Čo je to?“, tento článok nie je úrovňou stránky venovanej KRÁSE.