Det russiske språket lever og utvikler seg ved et godt eksempel. Spørsmål: Bevis, ved å bruke eksemplet med utdaterte ord og neologismer, at det russiske språket lever og utvikler seg

En brenselcelle er en enhet som effektivt produserer varme og likestrøm gjennom en elektrokjemisk reaksjon og bruker et hydrogenrikt drivstoff. Driftsprinsippet ligner på et batteri. Strukturelt er brenselcellen representert av en elektrolytt. Hva er så spesielt med det? I motsetning til batterier, akkumuleres ikke hydrogen brenselceller elektrisk energi, krever ikke strøm for å lade opp og ikke utlades. Cellene fortsetter å produsere strøm så lenge de har tilgang på luft og brensel.

Egendommer

Forskjellen mellom brenselceller og andre elektrisitetsgeneratorer er at de ikke brenner drivstoff under drift. På grunn av denne funksjonen krever de ikke høytrykksrotorer og avgir ikke høy støy eller vibrasjoner. Elektrisitet i brenselceller genereres gjennom en stille elektrokjemisk reaksjon. Den kjemiske energien til drivstoffet i slike enheter omdannes direkte til vann, varme og elektrisitet.

Brenselceller er svært effektive og produserer ikke stor mengde klimagasser. Utslippsproduktet ved celledrift er en liten mengde vann i form av damp og karbondioksid, som ikke frigjøres hvis rent hydrogen brukes som drivstoff.

Utseendehistorie

På 1950- og 1960-tallet provoserte NASAs nye behov for energikilder for langsiktige romfart en av de mest kritiske utfordringene for brenselceller som eksisterte på den tiden. Alkaliske celler bruker oksygen og hydrogen som brensel, som gjennom en elektrokjemisk reaksjon omdannes til biprodukter som er nyttige under romflukt - elektrisitet, vann og varme.

Brenselceller ble først oppdaget på begynnelsen av 1800-tallet - i 1838. Samtidig dukket den første informasjonen om deres effektivitet opp.

Arbeidet med brenselceller ved bruk av alkaliske elektrolytter begynte på slutten av 1930-tallet. Celler med nikkelbelagte elektroder under høyt trykk ble ikke oppfunnet før i 1939. Under andre verdenskrig ble det utviklet brenselceller bestående av alkaliske celler med en diameter på rundt 25 centimeter for britiske ubåter.

Interessen for dem økte på 1950-80-tallet, preget av mangel på petroleumsbrensel. Land rundt om i verden har begynt å ta tak i luftforurensning og miljøspørsmål i et forsøk på å utvikle miljøvennlig trygge måter mottar strøm. Teknologien for produksjon av brenselceller er for tiden under aktiv utvikling.

Driftsprinsipp

Varme og elektrisitet genereres av brenselceller som et resultat av en elektrokjemisk reaksjon som involverer en katode, anode og en elektrolytt.

Katoden og anoden er atskilt av en protonledende elektrolytt. Etter at oksygen kommer til katoden og hydrogen til anoden, starter den kjemisk reaksjon, hvis resultat er varme, strøm og vann.

Dissosieres på anodekatalysatoren, noe som fører til tap av elektroner. Hydrogenioner kommer inn i katoden gjennom elektrolytten, mens elektroner passerer gjennom det eksterne elektriske nettverket og lager en likestrøm, som brukes til å drive utstyret. Et oksygenmolekyl på katodekatalysatoren kombineres med et elektron og et innkommende proton, og danner til slutt vann, som er det eneste produktet av reaksjonen.

Typer

Valget av en bestemt type brenselcelle avhenger av bruken. Alle brenselceller er delt inn i to hovedkategorier - høy temperatur og lav temperatur. Sistnevnte bruker rent hydrogen som drivstoff. Slike enheter krever vanligvis prosessering av primærbrensel til rent hydrogen. Prosessen utføres ved hjelp av spesialutstyr.

Høytemperatur brenselceller trenger ikke dette fordi de konverterer drivstoff ved høye temperaturer, og eliminerer behovet for hydrogeninfrastruktur.

Driftsprinsippet for hydrogenbrenselceller er basert på konvertering av kjemisk energi til elektrisk energi uten ineffektive forbrenningsprosesser og transformasjon av termisk energi til mekanisk energi.

Generelle begreper

Hydrogen brenselceller er elektrokjemiske enheter som produserer elektrisitet gjennom høyeffektiv "kald" forbrenning av drivstoff. Det finnes flere typer slike enheter. Den mest lovende teknologien anses å være hydrogen-luft brenselceller utstyrt med en protonutvekslingsmembran PEMFC.

Den protonledende polymermembranen er designet for å skille to elektroder - katoden og anoden. Hver av dem er representert av en karbonmatrise med en katalysator avsatt på den. dissosierer på anodekatalysatoren og donerer elektroner. Kationer ledes til katoden gjennom membranen, men elektroner overføres til den eksterne kretsen fordi membranen ikke er designet for å overføre elektroner.

Et oksygenmolekyl på katodekatalysatoren kombineres med et elektron fra elektrisk krets og det innkommende protonet, til slutt danner vann, som er det eneste produktet av reaksjonen.

Hydrogen brenselceller brukes til å produsere membran-elektrodeenheter, som fungerer som hovedgenererende elementer energisystem.

Fordeler med hydrogen brenselceller

Blant dem er:

• Økt spesifikk varme.
• Bredt driftstemperaturområde.
• Ingen vibrasjoner, støy eller varmeflekker.
• Kaldstart pålitelighet.
• Ingen selvutladning, noe som sikrer langsiktig energilagring.
• Ubegrenset autonomi takket være muligheten til å justere energiintensiteten ved å endre antall drivstoffpatroner.
• Gir praktisk talt hvilken som helst energiintensitet ved å endre hydrogenlagringskapasiteten.
• Lang levetid.
• Stillegående og miljøvennlig drift.
• Høyt nivå av energiintensitet.
• Toleranse for fremmede urenheter i hydrogen.

Anvendelsesområde

På grunn av deres høye effektivitet brukes hydrogen brenselceller i ulike områder:

• Bærbar ladere.
• Strømforsyningssystemer for UAV.
• Kilder avbruddsfri strømforsyning.
• Andre enheter og utstyr.

Utsikter for hydrogenenergi

Den utbredte bruken av hydrogenperoksid brenselceller vil først være mulig etter etableringen av en effektiv metode for å produsere hydrogen. Å introdusere teknologi i aktiv bruk nye ideer kreves, mens høye forhåpninger hvile på konseptet biobrenselceller og nanoteknologi. Noen selskaper har relativt nylig gitt ut effektive katalysatorer basert på forskjellige metaller, samtidig har det dukket opp informasjon om etableringen av brenselceller uten membraner, noe som har gjort det mulig å redusere produksjonskostnadene betydelig og forenkle utformingen av slike enheter. Fordelene og egenskapene til hydrogenbrenselceller oppveier ikke deres største ulempe - høy kostnad, spesielt sammenlignet med hydrokarbonanordninger. Opprettelsen av ett hydrogenkraftverk krever minimum 500 tusen dollar.

Hvordan sette sammen en hydrogen brenselcelle?

Du kan lage en laveffekt brenselcelle selv i et vanlig hjemme- eller skolelaboratorium. Materialene som brukes er en gammel gassmaske, biter av pleksiglass, en vandig løsning av etylalkohol og alkali.

Kroppen til en hydrogenbrenselcelle er laget med egne hender fra plexiglass med en tykkelse på minst fem millimeter. Skilleveggene mellom rommene kan være tynnere - ca 3 millimeter. Plexiglass limes sammen med et spesiallim laget av kloroform eller dikloretan og pleksiglassspon. Alt arbeid utføres kun med panseret i gang.

Et hull med en diameter på 5-6 centimeter bores i den ytre veggen av huset, hvor en gummipropp og et glassavløpsrør er satt inn. Aktivert karbon fra gassmasken helles i andre og fjerde rom i brenselcellehuset - det vil bli brukt som en elektrode.

Drivstoff vil sirkulere i det første kammeret, mens det femte er fylt med luft, hvorfra oksygen tilføres. Elektrolytten, helles mellom elektrodene, er impregnert med en løsning av parafin og bensin for å forhindre at den kommer inn i luftkammeret. Legges på et lag med kull kobberplater med ledninger loddet til dem som strøm vil bli drenert gjennom.

Den sammensatte hydrogenbrenselcellen lades med vodka fortynnet med vann i forholdet 1:1. Kaustisk kalium tilsettes forsiktig til den resulterende blandingen: 70 gram kalium løses opp i 200 gram vann.

Før man tester en hydrogenbrenselcelle, helles drivstoff inn i det første kammeret og elektrolytt i det tredje. Voltmeteravlesningene koblet til elektrodene bør variere fra 0,7 til 0,9 volt. For å sikre kontinuerlig drift av elementet, må brukt brensel fjernes, og nytt drivstoff må helles gjennom et gummirør. Ved å klemme på røret justeres drivstofftilførselshastigheten. Slike hydrogenbrenselceller, samlet hjemme, har liten kraft.

Brenselceller (elektrokjemiske generatorer) representerer en svært effektiv, holdbar, pålitelig og miljøvennlig metode for å generere energi. Opprinnelig ble de bare brukt i romfartsindustrien, men i dag brukes elektrokjemiske generatorer i økende grad på forskjellige felt: dette er strømforsyninger for mobiltelefoner og bærbare datamaskiner, motorer kjøretøy, autonome strømforsyningskilder til bygninger, stasjonære kraftverk. Noen av disse enhetene fungerer som laboratorieprototyper, mens andre brukes til demonstrasjonsformål eller gjennomgår pre-produksjonstesting. Imidlertid er mange modeller allerede brukt i kommersielle prosjekter og er masseprodusert.

Enhet

Brenselceller er elektrokjemiske enheter som er i stand til å gi høy koeffisient konvertere eksisterende kjemisk energi til elektrisk energi.

Brenselcelleenheten inkluderer tre hoveddeler:

1. Kraftproduksjon delen;
2. CPU;
3. Spenningsomformer.

Hoveddelen av brenselcellen er kraftproduksjonsdelen, som er et batteri laget av individuelle brenselceller. En platinakatalysator er inkludert i strukturen til brenselcelleelektrodene. Ved å bruke disse cellene, en permanent elektrisk strøm.

En av disse enhetene har følgende egenskaper: ved en spenning på 155 volt produseres 1400 ampere. Batteridimensjonene er 0,9 m i bredden og høyden, og 2,9 m i lengden. Den elektrokjemiske prosessen i den utføres ved en temperatur på 177 °C, noe som krever oppvarming av batteriet ved oppstart, samt varmefjerning under driften. For dette formålet er en egen vannkrets inkludert i brenselcellen, og batteriet er utstyrt med spesielle kjøleplater.

I drivstoffprosessen skjer det en transformasjon naturgass til hydrogen, som er nødvendig for den elektrokjemiske reaksjonen. Hovedelementet i drivstoffprosessoren er reformatoren. I den samhandler naturgass (eller annet hydrogenholdig drivstoff) ved høyt trykk og høy temperatur(ca. 900 °C) med vanndamp under påvirkning av en katalysator - nikkel.

For å opprettholde den nødvendige temperaturen til reformeren er det en brenner. Dampen som kreves for reformering dannes fra kondensatet. En ustabil likestrøm genereres i brenselcellebatteriet og en spenningsomformer brukes til å konvertere det.

Også i spenningsomformerblokken er det:

• Kontroller enheter.
• Sikkerhetssperrekretser som slår av brenselcellen ved ulike feil.

Driftsprinsipp

Den enkleste protonutvekslingsmembrancellen består av en polymermembran som er plassert mellom anode og katode, samt katode- og anodekatalysatorer. Polymermembranen brukes som elektrolytt.

• Protonutvekslingsmembranen ser ut som en tynn fast organisk forbindelse med liten tykkelse. Denne membranen fungerer som en elektrolytt i nærvær av vann, den skiller stoffet i negativt og positivt ladede ioner.
• Oksidasjon begynner ved anoden, og reduksjon skjer ved katoden. Katoden og anoden i en PEM-celle er laget av porøst materiale, det er en blanding av platina- og karbonpartikler. Platina fungerer som en katalysator, som fremmer dissosiasjonsreaksjonen. Katoden og anoden er gjort porøse slik at oksygen og hydrogen passerer fritt gjennom dem.
• Anoden og katoden er plassert mellom to metallplater, de tilfører oksygen og hydrogen til katoden og anoden, og fjerner elektrisk energi, varme og vann.
• Gjennom kanaler i platen kommer hydrogenmolekyler inn i anoden, hvor molekylene dekomponeres til atomer.
• Som et resultat av kjemisorpsjon under påvirkning av en katalysator, omdannes hydrogenatomer til positivt ladede hydrogenioner H+, det vil si protoner.
• Protoner diffunderer til katoden gjennom membranen, og en strøm av elektroner går til katoden gjennom en spesiell ekstern elektrisk krets. En last er koblet til den, det vil si en forbruker av elektrisk energi.
• Oksygen, som tilføres katoden, går ved eksponering inn i en kjemisk reaksjon med elektroner fra den eksterne elektriske kretsen og hydrogenioner fra protonutvekslingsmembranen. Som et resultat av denne kjemiske reaksjonen vises vann.

Den kjemiske reaksjonen som skjer i andre typer brenselceller (for eksempel med en sur elektrolytt i form av ortofosforsyre H3PO4) er helt identisk med reaksjonen til en enhet med en protonutvekslingsmembran.

Arter

For tiden er flere typer brenselceller kjent, som er forskjellige i sammensetningen av elektrolytten som brukes:

• Brenselceller basert på ortofosforsyre eller fosforsyre (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Enheter med protonutvekslingsmembran (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Solid oxide brenselceller (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Elektrokjemiske generatorer basert på smeltet karbonat (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

På nåværende øyeblikk Elektrokjemiske generatorer som bruker PAFC-teknologi har blitt mer utbredt.

Søknad

I dag brukes brenselceller i romfergen, gjenbrukbare romfartøyer. De bruker 12 W enheter. De genererer all elektrisiteten romskip. Vannet som dannes under den elektrokjemiske reaksjonen brukes til drikke, inkludert til kjøleutstyr.

Elektrokjemiske generatorer ble også brukt til å drive den sovjetiske Buran, et gjenbrukbart romfartøy.

Brenselceller brukes også i sivil sektor.

• Stasjonære installasjoner med en effekt på 5–250 kW og over. De brukes som autonome kilder for varme- og strømforsyning til industri-, offentlige og boligbygg, nød- og reservestrømforsyninger og avbruddsfri strømforsyning.
• Bærbare enheter med en effekt på 1–50 kW. De brukes til romsatellitter og skip. Forekomster er laget for golfbiler, rullestoler, jernbane- og godskjøleskap og veiskilt.
• Mobile installasjoner med en effekt på 25–150 kW. De begynner å bli brukt i militære skip og ubåter, inkludert biler og andre kjøretøy. Prototyper er allerede laget av bilgiganter som Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford og andre.
• Mikroenheter med en effekt på 1–500 W. De finner applikasjoner i avanserte håndholdte datamaskiner, bærbare datamaskiner, forbrukerelektronikk, mobiltelefoner og moderne militære enheter.

Egendommer

• Noe av energien fra den kjemiske reaksjonen i hver brenselcelle frigjøres som varme. Nedkjøling nødvendig. I en ekstern krets skaper strømmen av elektroner en likestrøm som brukes til å utføre arbeid. Å stoppe bevegelsen av hydrogenioner eller åpne den eksterne kretsen fører til stopp av den kjemiske reaksjonen.
• Mengden elektrisitet som brenselceller lager bestemmes av gasstrykk, temperatur, geometriske dimensjoner og type brenselcelle. For å øke mengden elektrisitet som produseres av reaksjonen, kan brenselceller gjøres større, men i praksis brukes flere celler som kombineres til batterier.
• Den kjemiske prosessen i noen typer brenselceller kan reverseres. Det vil si at når en potensialforskjell påføres elektrodene, kan vann spaltes til oksygen og hydrogen, som vil samles på de porøse elektrodene. Når lasten slås på, vil en slik brenselcelle generere elektrisk energi.

Utsikter

For tiden krever elektrokjemiske generatorer store startkostnader for å bli brukt som den viktigste energikilden. Med introduksjonen av mer stabile membraner med høy ledningsevne, effektive og billige katalysatorer, og alternative kilder til hydrogen, vil brenselceller bli svært økonomisk attraktive og vil bli implementert overalt.

• Biler vil kjøre på brenselceller; det vil ikke være noen forbrenningsmotorer i det hele tatt. Vann eller faststoffhydrogen vil bli brukt som energikilde. Påfylling av drivstoff skal være enkelt og trygt, og kjøringen vil være miljøvennlig – det vil kun produseres vanndamp.
• Alle bygninger vil ha egne bærbare brenselcellekraftgeneratorer.
• Elektrokjemiske generatorer vil erstatte alle batterier og vil bli installert i alle elektronikk- og husholdningsapparater.

Fordeler og ulemper

Hver type brenselcelle har sine egne ulemper og fordeler. Noen krever drivstoff av høy kvalitet, andre har en kompleks design og krever høye driftstemperaturer.

Generelt kan følgende fordeler med brenselceller bemerkes:

• miljøsikkerhet;
• elektrokjemiske generatorer trenger ikke å lades;
• elektrokjemiske generatorer kan skape energi konstant, de bryr seg ikke om ytre forhold;
• fleksibilitet i skala og portabilitet.

Blant ulempene er:

• tekniske problemer med drivstofflagring og transport;
• ufullkomne elementer i enheten: katalysatorer, membraner og så videre.

Kunnskapsøkologi Vitenskap og teknologi: Hydrogenenergi er en av de mest effektive næringene, og brenselceller lar den forbli i forkant av innovative teknologier.

En brenselcelle er en enhet som effektivt produserer likestrøm og varme fra hydrogenrikt drivstoff gjennom en elektrokjemisk reaksjon.

En brenselcelle ligner på et batteri ved at den produserer likestrøm gjennom en kjemisk reaksjon. Igjen, som et batteri, inkluderer en brenselcelle en anode, en katode og en elektrolytt. Imidlertid, i motsetning til batterier, kan ikke brenselceller lagre elektrisk energi og utlades ikke eller krever strøm for å lades opp. Brenselceller kan kontinuerlig produsere elektrisitet så lenge de har tilførsel av drivstoff og luft. Det riktige begrepet for å beskrive en fungerende brenselcelle er et system av celler, siden det krever noen hjelpesystemer for å fungere ordentlig.

I motsetning til andre kraftgeneratorer, som forbrenningsmotorer eller turbiner drevet av gass, kull, fyringsolje, etc., brenner ikke brenselceller drivstoff. Dette betyr ingen støyende høytrykksrotorer, ingen høy eksosstøy, ingen vibrasjoner. Brenselceller produserer elektrisitet gjennom en stille elektrokjemisk reaksjon. Et annet trekk ved brenselceller er at de omdanner drivstoffets kjemiske energi direkte til elektrisitet, varme og vann.

Brenselceller er svært effektive og produserer ikke store mengder klimagasser som karbondioksid, metan og lystgass. De eneste utslippene fra brenselceller er vann i form av damp og en liten mengde karbondioksid, som ikke frigjøres i det hele tatt hvis rent hydrogen brukes som drivstoff. Brenselceller settes sammen til sammenstillinger og deretter til individuelle funksjonsmoduler.

Driftsprinsipp for brenselceller

Brenselceller produserer elektrisitet og varme gjennom en elektrokjemisk reaksjon ved bruk av en elektrolytt, en katode og en anode.

Anoden og katoden er atskilt av en elektrolytt som leder protoner. Etter at hydrogen strømmer til anoden og oksygen til katoden, starter en kjemisk reaksjon, som et resultat av at elektrisk strøm, varme og vann genereres. Ved anodekatalysatoren dissosierer molekylært hydrogen og mister elektroner. Hydrogenioner (protoner) ledes gjennom elektrolytten til katoden, mens elektroner føres gjennom elektrolytten og beveger seg gjennom en ekstern elektrisk krets, og skaper en likestrøm som kan brukes til å drive utstyr. Ved katodekatalysatoren kombineres et oksygenmolekyl med et elektron (som tilføres fra ekstern kommunikasjon) og et innkommende proton, og danner vann, som er det eneste reaksjonsproduktet (i form av damp og/eller væske).

Nedenfor er den tilsvarende reaksjonen:

Reaksjon ved anoden: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaksjon ved katoden: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Generell reaksjon av grunnstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Typer brenselceller

Akkurat som det finnes forskjellige typer forbrenningsmotorer, er det det ulike typer brenselceller – valg passende type Brenselcellen avhenger av dens anvendelse.Brenselceller er delt inn i høy temperatur og lav temperatur. Lavtemperatur brenselceller krever relativt rent hydrogen som drivstoff.

Dette betyr ofte at drivstoffbehandling er nødvendig for å omdanne primærbrenselet (som naturgass) til rent hydrogen. Denne prosessen bruker ekstra energi og krever spesialutstyr. Høytemperatur brenselceller trenger ikke denne tilleggsprosedyren da de kan "internt konvertere" drivstoffet ved forhøyede temperaturer, noe som betyr at det ikke er behov for å investere i hydrogeninfrastruktur.

Smeltet karbonat brenselceller (MCFC).

Smeltet er brenselceller med høy temperatur. Den høye driftstemperaturen tillater direkte bruk av naturgass uten drivstoffprosessor og drivstoffgass med lav brennverdi fra industrielle prosesser og andre kilder. Denne prosessen ble utviklet på midten av 1960-tallet. Siden den gang har produksjonsteknologi, ytelse og pålitelighet blitt forbedret.

Driften av RCFC skiller seg fra andre brenselceller. Disse cellene bruker en elektrolytt laget av en blanding av smeltede karbonatsalter. For tiden brukes to typer blandinger: litiumkarbonat og kaliumkarbonat eller litiumkarbonat og natriumkarbonat. For å smelte karbonatsalter og oppnå høy grad På grunn av mobiliteten til ioner i elektrolytten, skjer driften av brenselceller med en smeltet karbonatelektrolytt ved høye temperaturer (650°C). Effektiviteten varierer mellom 60-80 %.

Ved oppvarming til en temperatur på 650°C blir saltene en leder for karbonationer (CO32-). Disse ionene går fra katoden til anoden, hvor de kombineres med hydrogen for å danne vann, karbondioksid og frie elektroner. Disse elektronene sendes gjennom en ekstern elektrisk krets tilbake til katoden, og genererer elektrisk strøm og varme som et biprodukt.

Reaksjon ved anoden: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reaksjon ved katoden: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Generell reaksjon av grunnstoffet: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katode) => H2O(g) + CO2(anode)

De høye driftstemperaturene til brenselceller med smeltet karbonatelektrolytt har visse fordeler. Ved høye temperaturer reformeres naturgass internt, noe som eliminerer behovet for en drivstoffprosessor. I tillegg inkluderer fordeler muligheten til å bruke standard konstruksjonsmaterialer som rustfrie stålplater og nikkelkatalysator på elektrodene. Spillvarmen kan brukes til å generere høytrykksdamp til en rekke industrielle og kommersielle formål.

Høye reaksjonstemperaturer i elektrolytten har også sine fordeler. Bruk av høye temperaturer krever betydelig tid for å oppnå optimale driftsforhold, og systemet reagerer langsommere på endringer i energiforbruket. Disse egenskapene tillater bruk av brenselcelleinstallasjoner med smeltet karbonatelektrolytt under konstante strømforhold. Høye temperaturer forhindrer skade på brenselcellen ved karbonmonoksid, "forgiftning" etc.

Brenselceller med smeltet karbonatelektrolytt er egnet for bruk i store stasjonære installasjoner. Termiske kraftverk med en elektrisk utgangseffekt på 2,8 MW er kommersielt produsert. Installasjoner med utgangseffekt opp til 100 MW er under utvikling.

Fosforsyre brenselceller (PAFC).

Brenselceller basert på fosforsyre (ortofosforsyre) ble de første brenselcellene for kommersiell bruk. Prosessen ble utviklet på midten av 1960-tallet og har vært testet siden 1970-tallet. Siden den gang har stabilitet og ytelse blitt økt og kostnadene er redusert.

Fosforsyre (ortofosforsyre) brenselceller bruker en elektrolytt basert på ortofosforsyre (H3PO4) i konsentrasjoner opp til 100 %. Ioneledningsevnen til fosforsyre er lav ved lave temperaturer, av denne grunn brukes disse brenselcellene ved temperaturer opp til 150–220°C.

Ladebærer i brenselceller av denne typen er hydrogen (H+, proton). En lignende prosess skjer i proton exchange membrane brenselceller (PEMFCs), der hydrogen som tilføres anoden splittes i protoner og elektroner. Protoner beveger seg gjennom elektrolytten og kombineres med oksygen fra luften ved katoden for å danne vann. Elektronene sendes gjennom en ekstern elektrisk krets, og genererer dermed en elektrisk strøm. Nedenfor er reaksjoner som genererer elektrisk strøm og varme.

Reaksjon ved anoden: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reaksjon ved katoden: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Generell reaksjon av grunnstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Effektiviteten til brenselceller basert på fosforsyre (ortofosforsyre) er mer enn 40 % når de genererer elektrisk energi. Med kombinert produksjon av varme og elektrisitet er den totale virkningsgraden ca. 85 %. I tillegg, gitt driftstemperaturer, kan spillvarme brukes til å varme opp vann og generere atmosfærisk trykkdamp.

Den høye ytelsen til termiske kraftverk som bruker brenselceller basert på fosforsyre (ortofosforsyre) i kombinert produksjon av termisk og elektrisk energi er en av fordelene med denne typen brenselceller. Enhetene bruker karbonmonoksid med en konsentrasjon på ca. 1,5 %, noe som utvider valget av drivstoff betydelig. I tillegg påvirker ikke CO2 elektrolytten og driften av brenselcellen fungerer med reformert naturlig brensel. Enkelt design lav grad Elektrolyttflyktighet og økt stabilitet er også fordeler med denne typen brenselceller.

Termiske kraftverk med elektrisk utgangseffekt på opptil 400 kW er kommersielt produsert. De 11 MW-installasjonene har bestått de riktige testene. Installasjoner med utgangseffekt opp til 100 MW er under utvikling.

Proto(PEMFCs)

Brenselceller med protonutvekslingsmembran regnes som mest den beste typen brenselceller for å generere kraft til kjøretøy, som kan erstatte bensin- og dieselforbrenningsmotorer. Disse brenselcellene ble først brukt av NASA for Gemini-programmet. I dag utvikles og demonstreres MOPFC-installasjoner med effekt fra 1 W til 2 kW.

Disse brenselcellene bruker en solid polymermembran (en tynn plastfilm) som elektrolytt. Når den er mettet med vann, lar denne polymeren protoner passere gjennom, men leder ikke elektroner.

Drivstoffet er hydrogen, og ladningsbæreren er et hydrogenion (proton). Ved anoden deles hydrogenmolekylet i et hydrogenion (proton) og elektroner. Hydrogenioner passerer gjennom elektrolytten til katoden, og elektroner beveger seg rundt den ytre sirkelen og produserer elektrisk energi. Oksygen, som tas fra luften, tilføres katoden og kombineres med elektroner og hydrogenioner for å danne vann. Følgende reaksjoner skjer ved elektrodene:

Reaksjon ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaksjon ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Generell reaksjon av grunnstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Sammenlignet med andre typer brenselceller produserer protomer energi for et gitt brenselcellevolum eller vekt. Denne funksjonen lar dem være kompakte og lette. I tillegg er driftstemperaturen mindre enn 100°C, noe som gjør at du raskt kan starte driften. Disse egenskapene, samt evnen til raskt å endre energiproduksjonen, er bare noen av funksjonene som gjør disse brenselcellene til en førsteklasses kandidat for bruk i kjøretøy.

En annen fordel er at elektrolytten er et fast stoff i stedet for en væske. Det er lettere å holde tilbake gasser ved katoden og anoden ved hjelp av en fast elektrolytt, og derfor er slike brenselceller billigere å produsere. Sammenlignet med andre elektrolytter, når du bruker en fast elektrolytt, er det ingen vanskeligheter som orientering, mindre problemer på grunn av forekomsten av korrosjon, noe som fører til større holdbarhet av elementet og dets komponenter.

Solid oxide brenselceller (SOFC)

Fastoksidbrenselceller er brenselcellene med høyest driftstemperatur. Driftstemperaturen kan variere fra 600°C til 1000°C, noe som tillater bruk av forskjellige typer drivstoff uten spesiell forbehandling. For å håndtere slike høye temperaturer er elektrolytten som brukes et tynt fast metalloksid på en keramisk base, ofte en legering av yttrium og zirkonium, som er en leder av oksygenioner (O2-). Fast oksid brenselcelleteknologi har vært under utvikling siden slutten av 1950-tallet. og har to konfigurasjoner: flat og rørformet.

Den faste elektrolytten gir en forseglet overgang av gass fra en elektrode til en annen, mens flytende elektrolytter er plassert i et porøst substrat. Ladningsbæreren i brenselceller av denne typen er oksygenionet (O2-). Ved katoden separeres oksygenmolekyler fra luften i et oksygenion og fire elektroner. Oksygenioner passerer gjennom elektrolytten og kombineres med hydrogen for å danne fire fritt elektron. Elektronene sendes gjennom en ekstern elektrisk krets, og genererer elektrisk strøm og spillvarme.

Reaksjon ved anoden: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reaksjon ved katoden: O2 + 4e- => 2O2-
Generell reaksjon av grunnstoffet: 2H2 + O2 => 2H2O

Effektiviteten til den produserte elektriske energien er den høyeste av alle brenselceller - omtrent 60 %. I tillegg tillater høye driftstemperaturer kombinert produksjon av termisk og elektrisk energi for å generere høytrykksdamp. Å kombinere en høytemperatur brenselcelle med en turbin gjør det mulig å lage en hybrid brenselcelle for å øke effektiviteten til å generere elektrisk energi med opptil 70 %.

Fastoksidbrenselceller opererer ved svært høye temperaturer (600°C–1000°C), noe som gir betydelig tid til å oppnå optimale driftsforhold og en langsommere systemrespons på endringer i energiforbruk. Ved så høye driftstemperaturer er det ikke nødvendig med noen omformer for å gjenvinne hydrogen fra drivstoffet, noe som gjør at det termiske kraftverket kan operere med relativt uren brensel som følge av gassifisering av kull eller avfallsgasser osv. Brenselcellen er også utmerket for høyeffektapplikasjoner, inkludert industrielle og store sentrale kraftverk. Moduler med en elektrisk utgangseffekt på 100 kW er kommersielt produsert.

Direkte metanoloksidasjons brenselceller (DOMFC)

Direkte metanoloksidasjon brenselcelleteknologi opplever en periode aktiv utvikling. Hun har med suksess etablert seg innen ernæring mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, samt for å lage bærbare strømkilder. Det er dette fremtidig bruk av disse elementene er rettet mot.

Utformingen av brenselceller med direkte oksidasjon av metanol ligner brenselceller med protonbyttermembran (MEPFC), dvs. En polymer brukes som elektrolytt, og et hydrogenion (proton) brukes som ladningsbærer. Flytende metanol (CH3OH) oksiderer imidlertid i nærvær av vann ved anoden, og frigjør CO2, hydrogenioner og elektroner, som sendes gjennom en ekstern elektrisk krets, og genererer dermed en elektrisk strøm. Hydrogenioner passerer gjennom elektrolytten og reagerer med oksygen fra luften og elektroner fra den eksterne kretsen for å danne vann ved anoden.

Reaksjon ved anoden: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reaksjon ved katoden: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Generell reaksjon av grunnstoffet: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Utviklingen av disse brenselcellene begynte tidlig på 1990-tallet. Med utviklingen av forbedrede katalysatorer og andre nyere innovasjoner, har krafttettheten og effektiviteten blitt økt til 40 %.

Disse elementene ble testet i temperaturområdet 50-120°C. På grunn av lave driftstemperaturer og ikke behov for en omformer, er direkte metanoloksidasjons brenselceller den beste kandidaten til bruk i mobiltelefoner og andre forbruksvarer, samt i bilmotorer. Fordelen med denne typen brenselceller er deres lille størrelse, på grunn av bruken av flytende drivstoff, og fraværet av behovet for å bruke en omformer.

Alkaliske brenselceller (ALFC)

Alkaliske brenselceller (AFC) er en av de mest studerte teknologiene, brukt siden midten av 1960-tallet. av NASA i Apollo- og Space Shuttle-programmene. Om bord på disse romfartøyene produserer brenselceller elektrisk energi og drikkevann. Alkaliske brenselceller er en av de mest effektive cellene som brukes til å generere elektrisitet, med kraftproduksjonseffektivitet på opptil 70 %.

Alkaliske brenselceller bruker en elektrolytt, en vandig løsning av kaliumhydroksid, inneholdt i en porøs, stabilisert matrise. Kaliumhydroksidkonsentrasjonen kan variere avhengig av driftstemperaturen til brenselcellen, som varierer fra 65°C til 220°C. Ladningsbæreren i SHTE er hydroksylionet (OH-), som beveger seg fra katoden til anoden, hvor det reagerer med hydrogen og produserer vann og elektroner. Vannet som produseres ved anoden beveger seg tilbake til katoden, og genererer igjen hydroksylioner der. Som et resultat av denne serien av reaksjoner som finner sted i brenselcellen, produseres elektrisitet og, som biprodukt, varm:

Reaksjon ved anoden: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reaksjon ved katoden: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Generell reaksjon av systemet: 2H2 + O2 => 2H2O

Fordelen med SHTE er at disse brenselcellene er de billigste å produsere, siden katalysatoren som trengs på elektrodene kan være alle stoffene som er billigere enn de som brukes som katalysatorer for andre brenselceller. I tillegg opererer SFC ved relativt lave temperaturer og er blant de mest effektive brenselcellene - slike egenskaper kan følgelig bidra til raskere kraftproduksjon og høy effektivitet brensel.

En av karakteristiske trekk SHTE – høy følsomhet til CO2, som kan finnes i drivstoff eller luft. CO2 reagerer med elektrolytten, forgifter den raskt og reduserer brenselcellens effektivitet kraftig. Derfor er bruken av SHTE begrenset til lukkede rom, som rom- og undervannsfarkoster, de må operere kl. rent hydrogen og oksygen. Dessuten er molekyler som CO, H2O og CH4, som er trygge for andre brenselceller og til og med fungerer som brensel for noen av dem, skadelige for SHFC.

Polymerelektrolyttbrenselceller (PEFC)

Når det gjelder polymerelektrolyttbrenselceller, består polymermembranen av polymerfibre med vannområder hvor ledningsvannioner H2O+ (proton, rød) fester seg til et vannmolekyl. Vannmolekyler utgjør et problem på grunn av langsom ioneutveksling. Derfor kreves det en høy konsentrasjon av vann både i drivstoffet og ved utløpselektrodene, noe som begrenser driftstemperaturen til 100°C.

Faste sure brenselceller (SFC)

I faste sure brenselceller inneholder ikke elektrolytten (CsHSO4) vann. Driftstemperaturen er derfor 100-300°C. Rotasjonen av SO42 oksyanionene lar protonene (røde) bevege seg som vist på figuren.

Vanligvis er en fast syre brenselcelle en sandwich der et veldig tynt lag med fast syreforbindelse er klemt mellom to elektroder som er tett presset sammen for å sikre god kontakt. Når den varmes opp, fordamper den organiske komponenten, går ut gjennom porene i elektrodene, og opprettholder muligheten for flere kontakter mellom drivstoffet (eller oksygen i den andre enden av elementene), elektrolytten og elektrodene

Type brenselcelle	Driftstemperatur	Effektivitet for kraftproduksjon	Drivstofftype	Anvendelsesområde
RKTE	550–700°C	50-70%		Middels og store installasjoner
FCTE	100–220°C	35-40%	Rent hydrogen	Store installasjoner
MOPTE	30-100°C	35-50%	Rent hydrogen	Små installasjoner
SOFC	450–1000°C	45-70%	De fleste hydrokarbondrivstoff	Små, mellomstore og store installasjoner
PEMFC	20-90°C	20-30%	Metanol	Bærbare enheter
SHTE	50–200°C	40-65%	Rent hydrogen	Romforskning
PETE	30-100°C	35-50%	Rent hydrogen	Små installasjoner

Bli med oss ​​videre

Mobilelektronikk blir mer tilgjengelig og utbredt hvert år, om ikke måned. Her finner du bærbare datamaskiner, PDAer, digitale kameraer, mobiltelefoner og en rekke andre nyttige og ikke så nyttige enheter. Og alle disse enhetene får stadig nye funksjoner, kraftigere prosessorer, større fargeskjermer, trådløs kommunikasjon, samtidig som de reduseres i størrelse. Men, i motsetning til halvlederteknologier, utvikler ikke kraftteknologier for hele denne mobile menasjen seg med stormskritt.

Konvensjonelle batterier og oppladbare batterier er i ferd med å bli klart utilstrekkelige for å drive de siste fremskrittene i elektronikkindustrien i en betydelig periode. Og uten pålitelige og romslige batterier går hele poenget med mobilitet og trådløshet tapt. Så dataindustrien jobber mer og mer aktivt med problemet alternative strømkilder. Og den mest lovende retningen her i dag er brenselceller.

Det grunnleggende driftsprinsippet for brenselceller ble oppdaget av den britiske forskeren Sir William Grove i 1839. Han er kjent som faren til "brenselcellen". William Grove genererte elektrisitet ved å endre for å utvinne hydrogen og oksygen. Etter å ha koblet batteriet fra elektrolysecellen, ble Grove overrasket over å finne at elektrodene begynte å absorbere den frigjorte gassen og generere strøm. Åpne en prosess elektrokjemisk "kald" forbrenning av hydrogen ble en betydelig begivenhet i energiindustrien, og senere spilte slike kjente elektrokjemikere som Ostwald og Nernst en stor rolle i utviklingen av det teoretiske grunnlaget og praktisk implementering av brenselceller og spådde en stor fremtid for dem.

Meg selv begrepet "brenselcelle" dukket opp senere - det ble foreslått i 1889 av Ludwig Mond og Charles Langer, som prøvde å lage en enhet for å generere elektrisitet fra luft og kullgass.

Ved normal forbrenning i oksygen oppstår oksidasjon av organisk drivstoff, og drivstoffets kjemiske energi omdannes ineffektivt til termisk energi. Men det viste seg å være mulig å utføre oksidasjonsreaksjonen, for eksempel av hydrogen med oksygen, i et elektrolyttmiljø og, i nærvær av elektroder, å oppnå en elektrisk strøm. For eksempel, ved å tilføre hydrogen til en elektrode plassert i et alkalisk medium, får vi elektroner:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

som passerer gjennom den eksterne kretsen, kommer til motsatt elektrode, som oksygen strømmer til og hvor reaksjonen finner sted: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Det kan sees at den resulterende reaksjonen 2H2 + O2 → H2O er den samme som under konvensjonell forbrenning, men i en brenselcelle, eller på annen måte - i elektrokjemisk generator, resultatet er elektrisk strøm med stor effektivitet og delvis varme. Merk at kull, karbonmonoksid, alkoholer, hydrazin og andre også kan brukes som brensel i brenselceller. organisk materiale, og som oksidasjonsmidler - luft, hydrogenperoksid, klor, brom, salpetersyre osv.

Utviklingen av brenselceller fortsatte kraftig både i utlandet og i Russland, og deretter i USSR. Blant forskerne som ga et stort bidrag til studiet av brenselceller, merker vi V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. I midten av forrige århundre begynte et nytt angrep på brenselcelleproblemer. Dette skyldes blant annet fremveksten av nye ideer, materialer og teknologier som et resultat av forsvarsforskning.

En av forskerne som tok et stort skritt i utviklingen av brenselceller var P. M. Spiridonov. Hydrogen-oksygenelementer av Spiridonov ga en strømtetthet på 30 mA/cm2, noe som ble ansett som en stor prestasjon på den tiden. På førtitallet opprettet O. Davtyan en installasjon for elektrokjemisk forbrenning av generatorgass oppnådd ved gassifisering av kull. For hver kubikkmeter elementvolum mottok Davtyan 5 kW kraft.

Det var det første brenselcelle med fast elektrolytt. Den hadde høy effektivitet, men over tid ble elektrolytten ubrukelig og måtte skiftes. Deretter skapte Davtyan på slutten av femtitallet en kraftig installasjon som driver traktoren. I de samme årene engelsk ingeniør T. Bacon designet og bygde et batteri av brenselceller med en total effekt på 6 kW og en virkningsgrad på 80 %, kjører på rent hydrogen og oksygen, men kraft-til-vekt-forholdet til batteriet viste seg å være for lite - slike elementer var uegnet for praktisk anvendelse og for dyrt.

I de påfølgende årene gikk tiden for ensomme. Skaperne ble interessert i brenselceller romfartøy. Siden midten av 60-tallet har millioner av dollar blitt investert i brenselcelleforskning. Arbeidet til tusenvis av forskere og ingeniører har gjort det mulig å nå nytt nivå, og i 1965 brenselceller ble testet i USA på romfartøyet Gemini 5, og senere på romfartøyet Apollo for flyvninger til Månen og Shuttle-programmet.

I USSR ble brenselceller utviklet ved NPO Kvant, også for bruk i verdensrommet. I disse årene hadde nye materialer allerede dukket opp - faste polymerelektrolytter basert på ionebyttermembraner, nye typer katalysatorer, elektroder. Likevel var driftsstrømtettheten liten - i området 100-200 mA/cm2, og platinainnholdet på elektrodene var flere g/cm2. Det var mange problemer knyttet til holdbarhet, stabilitet og sikkerhet.

Den neste fasen av rask utvikling av brenselceller begynte på 90-tallet. forrige århundre og fortsetter til i dag. Det er forårsaket av behovet for nye effektive energikilder i forbindelse på den ene siden med globale miljøproblemøkende utslipp av klimagasser fra forbrenning av fossilt brensel og på den annen side uttømming av reserver av slikt drivstoff. Siden sluttproduktet av hydrogenforbrenning i en brenselcelle er vann, anses de som de reneste når det gjelder deres innvirkning på miljø. Hovedproblemet er bare å finne en effektiv og rimelig måte å produsere hydrogen på.

Milliarder av dollar i økonomiske investeringer i utvikling av brenselceller og hydrogengeneratorer bør føre til et teknologisk gjennombrudd og gjøre bruken av dem i hverdagen til en realitet: i celler til mobiltelefoner, i biler, i kraftverk. Allerede demonstrerer bilgiganter som Ballard, Honda, Daimler Chrysler og General Motors biler og busser drevet av brenselceller med en effekt på 50 kW. En rekke selskaper har utviklet seg demonstrasjonskraftverk som bruker brenselceller med fast oksidelektrolytt med en effekt på opptil 500 kW. Men til tross for et betydelig gjennombrudd for å forbedre egenskapene til brenselceller, må mange problemer knyttet til kostnadene, påliteligheten og sikkerheten fortsatt løses.

I en brenselcelle, i motsetning til batterier og akkumulatorer, tilføres både drivstoff og oksidasjonsmiddel til den fra utsiden. Brenselcellen medierer bare reaksjonen og kan under ideelle forhold fungere praktisk talt evig. Det fine med denne teknologien er at cellen faktisk brenner drivstoff og direkte omdanner den frigjorte energien til elektrisitet. Når drivstoff brennes direkte, oksideres det av oksygen, og varmen som frigjøres brukes til å utføre nyttig arbeid.

I en brenselcelle, som i batterier, er reaksjonene av drivstoffoksidasjon og oksygenreduksjon romlig adskilt, og "forbrenningsprosessen" skjer bare hvis cellen leverer strøm til lasten. Det er akkurat som diesel elektrisk generator, kun uten diesel og generator. Og også uten røyk, støy, overoppheting og med mye høyere effektivitet. Sistnevnte forklares av det faktum at det for det første ikke er noen mellomliggende mekaniske enheter, og for det andre er brenselcellen ikke en varmemotor og som et resultat ikke overholder Carnots lov (det vil si at effektiviteten ikke bestemmes av temperaturforskjellen).

Oksygen brukes som oksidasjonsmiddel i brenselceller. Dessuten, siden det er nok oksygen i luften, er det ingen grunn til å bekymre seg for å tilføre et oksidasjonsmiddel. Når det gjelder drivstoff, er det hydrogen. Så reaksjonen finner sted i brenselcellen:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrisitet + varme.

Resultatet er nyttig energi og vanndamp. Den enkleste i sin struktur er protonutvekslingsmembran brenselcelle(se figur 1). Det fungerer som følger: hydrogen som kommer inn i elementet, spaltes under påvirkning av en katalysator til elektroner og positivt ladede hydrogenioner H+. Da kommer en spesiell membran inn i bildet, som spiller rollen som en elektrolytt i et konvensjonelt batteri. På grunn av sin kjemiske sammensetning lar den protoner passere gjennom, men beholder elektroner. Dermed skaper elektronene som samles på anoden en overflødig negativ ladning, og hydrogenionene skaper en positiv ladning på katoden (spenningen over elementet er ca. 1V).

For å skape høy effekt, er en brenselcelle satt sammen av mange celler. Hvis du kobler et element til en last, vil elektroner strømme gjennom det til katoden, skape en strøm og fullføre prosessen med oksidasjon av hydrogen med oksygen. Platinamikropartikler avsatt på karbonfiber brukes vanligvis som katalysator i slike brenselceller. På grunn av sin struktur lar en slik katalysator gass og elektrisitet passere gjennom godt. Membranen er vanligvis laget av den svovelholdige polymeren Nafion. Tykkelsen på membranen er tideler av en millimeter. Under reaksjonen frigjøres selvfølgelig også varme, men ikke mye av den, så driftstemperaturen holdes i området 40-80°C.

Fig.1. Driftsprinsipp for en brenselcelle

Det finnes andre typer brenselceller, hovedsakelig forskjellige i hvilken type elektrolytt som brukes. Nesten alle av dem krever hydrogen som drivstoff, så det logiske spørsmålet oppstår: hvor får man tak i det. Selvfølgelig ville det være mulig å bruke komprimert hydrogen fra sylindere, men problemer oppstår umiddelbart knyttet til transport og lagring av denne svært brannfarlige gassen under høyt trykk. Selvfølgelig kan hydrogen brukes i bundet form, som i metallhydridbatterier. Men oppgaven med å utvinne og transportere den gjenstår, fordi infrastrukturen for hydrogenpåfylling ikke eksisterer.

Men det er også en løsning her - flytende hydrokarbonbrensel kan brukes som en kilde til hydrogen. For eksempel etyl- eller metylalkohol. Riktignok krever dette en spesiell tilleggsenhet - en drivstoffomformer, som ved høye temperaturer (for metanol vil det være omtrent 240 ° C) omdanner alkoholer til en blanding av gassformig H2 og CO2. Men i dette tilfellet er det allerede vanskeligere å tenke på portabilitet - slike enheter er gode å bruke som stasjonære eller, men for kompakt mobilt utstyr trenger du noe mindre klumpete.

Og her kommer vi til akkurat den enheten som nesten alle de største elektronikkprodusentene utvikler med fryktelig kraft - metanol brenselcelle(Figur 2).

Fig.2. Driftsprinsipp for en metanol brenselcelle

Den grunnleggende forskjellen mellom hydrogen og metanol brenselceller er katalysatoren som brukes. Katalysatoren i en metanolbrenselcelle gjør at protoner kan fjernes direkte fra alkoholmolekylet. Dermed er problemet med drivstoff løst - metylalkohol er masseprodusert for kjemisk industri, den er enkel å lagre og transportere, og å lade metanolbrenselcellen er like enkelt som å bytte ut brenselpatronen. Riktignok er det en betydelig ulempe - metanol er giftig. I tillegg er effektiviteten til en metanolbrenselcelle betydelig lavere enn for en hydrogen.

Ris. 3. Metanol brenselcelle

Det mest fristende alternativet er å bruke det som drivstoff etanol, gagner produksjon og distribusjon alkoholholdige drikker av enhver sammensetning og styrke er godt etablert hele veien til kloden. Imidlertid er effektiviteten til etanolbrenselceller, dessverre, enda lavere enn for metanol.

Som det har blitt bemerket i løpet av mange år med utvikling innen brenselcellefeltet, er det bygget ulike typer brenselceller. Brenselceller er klassifisert etter elektrolytt og drivstofftype.

1. Fast polymer hydrogen-oksygen elektrolytt.

2. Fast polymer metanol brenselceller.

3. Alkaliske elektrolyttceller.

4. Fosforsyre brenselceller.

5. Drivstoffelementer basert på smeltede karbonater.

6. Fast oksid brenselceller.

Ideelt sett er effektiviteten til brenselceller svært høy, men under reelle forhold er det tap forbundet med ikke-likevektsprosesser, slik som: ohmske tap på grunn av den spesifikke ledningsevnen til elektrolytten og elektrodene, aktivering og konsentrasjonspolarisering og diffusjonstap. Som et resultat blir en del av energien som genereres i brenselceller omdannet til varme. Spesialistenes innsats er rettet mot å redusere disse tapene.

Hovedkilden til ohmske tap, så vel som årsaken til den høye prisen på brenselceller, er perfluorerte sulfoniske kationbyttermembraner. Jakten pågår nå etter alternative, billigere protonledende polymerer. Siden ledningsevnen til disse membranene (faste elektrolytter) når en akseptabel verdi (10 Ohm/cm) bare i nærvær av vann, må gassene som tilføres brenselcellen fuktes i tillegg i en spesiell enhet, noe som også øker kostnadene ved system. Katalytiske gassdiffusjonselektroder bruker hovedsakelig platina og noen andre edle metaller, og så langt er det ikke funnet noen erstatning for dem. Selv om platinainnholdet i brenselceller er flere mg/cm2, når mengden for store batterier titalls gram.

Ved design av brenselceller stor oppmerksomhet er gitt til varmefjerningssystemet, siden når høye tettheter strøm (opptil 1A/cm2) selvoppvarmer systemet. For kjøling brukes vann som sirkulerer i brenselcellen gjennom spesielle kanaler, og ved lav effekt - luftblåsing.

Så, moderne system I tillegg til selve brenselcellebatteriet er en elektrokjemisk generator "overgrodd" med mange hjelpeenheter, for eksempel: pumper, en kompressor for å tilføre luft, injisere hydrogen, en gassfukter, en kjøleenhet, et gasslekkasjeovervåkingssystem, en omformer DC inn i en variabel, kontrollprosessor, etc. Alt dette fører til at kostnaden for et brenselcellesystem i 2004-2005 var 2-3 tusen $/kW. Ifølge eksperter vil brenselceller bli tilgjengelig for bruk i transport og stasjonære kraftverk til en pris på $50-100/kW.

Å introdusere brenselceller i dagliglivet, sammen med billigere komponenter, må vi forvente nye originale ideer og tilnærminger. Spesielt knyttes det store forhåpninger til bruk av nanomaterialer og nanoteknologi. For eksempel har flere selskaper nylig annonsert etableringen av ultraeffektive katalysatorer, spesielt for oksygenelektroder, basert på klynger av nanopartikler fra forskjellige metaller. I tillegg har det vært rapporter om membranløse brenselcelledesign der flytende brensel (som metanol) mates inn i brenselcellen sammen med et oksidasjonsmiddel. Interessant er også det utviklende konseptet med biobrenselceller som opererer i forurenset vann og forbruker oppløst luftoksygen som et oksidasjonsmiddel, og organiske urenheter som drivstoff.

Ifølge eksperter vil brenselceller komme inn på massemarkedet i årene som kommer. Faktisk, en etter en, overvinner utviklere tekniske problemer, rapporterer suksesser og presenterer prototyper av brenselceller. For eksempel demonstrerte Toshiba en ferdig prototype av en metanol brenselcelle. Den har en størrelse på 22x56x4,5 mm og produserer en effekt på omtrent 100mW. En påfylling av 2 kuber konsentrert (99,5 %) metanol er nok til 20 timers drift av MP3-spilleren. Toshiba har gitt ut en kommersiell brenselcelle for å drive mobiltelefoner. Igjen demonstrerte den samme Toshiba en celle for å drive bærbare datamaskiner som måler 275x75x40 mm, slik at datamaskinen kan fungere i 5 timer på en enkelt lading.

Et annet japansk selskap, Fujitsu, er ikke langt bak Toshiba. I 2004 introduserte hun også et element som opererer på 30 % vandig løsning metanol. Denne brenselcellen opererte på én 300 ml ladning i 10 timer og ga en effekt på 15 W.

Casio utvikler en brenselcelle der metanol først omdannes til en blanding av H2- og CO2-gasser i en miniatyrdrivstoffomformer, og deretter mates inn i brenselcellen. Under demonstrasjonen drev Casio-prototypen en bærbar datamaskin i 20 timer.

Samsung markerte seg også innen brenselceller - i 2004 demonstrerte den sin 12 W prototype designet for å drive en bærbar datamaskin. Generelt planlegger Samsung å bruke brenselceller primært i fjerde generasjons smarttelefoner.

Det må sies at japanske selskaper generelt tok en veldig grundig tilnærming til utviklingen av brenselceller. Tilbake i 2003 gikk selskaper som Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony og Toshiba sammen for å utvikle en enkelt brenselcellestandard for bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, PDAer og andre elektroniske enheter. Amerikanske selskaper, som det også er mange av i dette markedet, jobber stort sett under kontrakter med militæret og utvikler brenselceller for elektrifisering av amerikanske soldater.

Tyskerne er ikke langt bak – selskapet Smart Fuel Cell selger brenselceller for å drive et mobilt kontor. Enheten heter Smart Fuel Cell C25, har dimensjoner på 150x112x65mm og kan levere opptil 140 watt-timer per fylling. Dette er nok til å drive den bærbare datamaskinen i omtrent 7 timer. Da kan patronen byttes og du kan fortsette å jobbe. Størrelsen på metanolpatronen er 99x63x27 mm, og den veier 150g. Selve systemet veier 1,1 kg, så det kan ikke kalles helt bærbart, men det er fortsatt en helt komplett og praktisk enhet. Selskapet utvikler også en drivstoffmodul for å drive profesjonelle videokameraer.

Generelt har brenselceller nesten kommet inn på markedet for mobilelektronikk. Produsenter må fortsatt løse de siste tekniske problemene før de starter masseproduksjon.

Først er det nødvendig å løse problemet med miniatyrisering av brenselceller. Tross alt, jo mindre brenselcellen er, jo mindre kraft kan den produsere - så det utvikles stadig nye katalysatorer og elektroder som gjør det mulig å maksimere arbeidsflaten med små størrelser. Det er her den siste utviklingen innen nanoteknologi og nanomaterialer (for eksempel nanorør) kommer veldig godt med. Igjen, for å miniatyrisere rørene til elementene (drivstoff- og vannpumper, kjøle- og drivstoffkonverteringssystemer), blir prestasjoner av mikroelektromekanikk i økende grad brukt.

Sekund viktig sak Det som må tas opp er prisen. Tross alt brukes veldig dyr platina som katalysator i de fleste brenselceller. Igjen, noen av produsentene prøver å få mest mulig ut av allerede veletablerte silisiumteknologier.

Når det gjelder andre bruksområder for brenselceller, har brenselceller allerede etablert seg ganske solid der, selv om de ennå ikke har blitt mainstream verken i energisektoren eller i transport. Allerede har mange bilprodusenter presentert sine konseptbiler drevet av brenselceller. Brenselcellebusser kjører i flere byer rundt om i verden. Kanadiske Ballard Power Systems produserer en hel serie stasjonære generatorer med effekt fra 1 til 250 kW. Samtidig er kilowattgeneratorer designet for umiddelbart å forsyne én leilighet med strøm, varme og varmtvann.