Elektronika mobilna staje się coraz bardziej dostępna i powszechna z każdym rokiem, jeśli nie miesiącem. Znajdziesz tu laptopy, urządzenia PDA, aparaty cyfrowe, telefony komórkowe i mnóstwo innych przydatnych i mniej przydatnych urządzeń. Wszystkie te urządzenia stale zyskują nowe funkcje, mocniejsze procesory, większe kolorowe ekrany, komunikację bezprzewodową, a jednocześnie zmniejszają się. Jednak w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, technologie zasilania całej mobilnej menażerii nie rozwijają się skokowo.

Konwencjonalne baterie i akumulatory stają się wyraźnie niewystarczające do zasilania najnowszych osiągnięć przemysłu elektronicznego przez dłuższy czas. A bez niezawodnych i pojemnych akumulatorów traci się cały sens mobilności i bezprzewodowości. Dlatego branża komputerowa coraz aktywniej pracuje nad tym problemem alternatywne źródła odżywianie. A najbardziej obiecującym kierunkiem dzisiaj jest ogniwa paliwowe.

Podstawową zasadę działania ogniw paliwowych odkrył brytyjski naukowiec Sir William Grove w 1839 roku. Nazywany jest ojcem „ogniwa paliwowego”. William Grove wytwarzał energię elektryczną, przekształcając ją w celu ekstrakcji wodoru i tlenu. Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego Grove ze zdziwieniem stwierdził, że elektrody zaczęły absorbować uwolniony gaz i wytwarzać prąd. Otwarcie procesu elektrochemiczne „zimne” spalanie wodoru stało się znaczącym wydarzeniem w branży energetycznej, a później tak znani elektrochemicy jak Ostwald i Nernst odegrali główną rolę w opracowaniu podstaw teoretycznych i praktycznym zastosowaniu ogniw paliwowych oraz przepowiedzieli im wspaniałą przyszłość.

Ja termin „ogniwo paliwowe” pojawił się później – został zaproponowany w 1889 roku przez Ludwiga Monda i Charlesa Langera, którzy próbowali stworzyć urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

Podczas normalnego spalania w tlenie następuje utlenianie paliwa organicznego, a energia chemiczna paliwa jest nieefektywnie przekształcana w energię cieplną. Okazało się jednak, że możliwe jest przeprowadzenie reakcji utleniania, na przykład wodoru z tlenem, w środowisku elektrolitu i otrzymanie w obecności elektrod Elektryczność. Przykładowo dostarczając wodór do elektrody znajdującej się w ośrodku zasadowym uzyskujemy elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

które przechodząc przez obwód zewnętrzny docierają do przeciwnej elektrody, do której przepływa tlen i gdzie zachodzi reakcja: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Można zauważyć, że powstająca reakcja 2H2 + O2 → H2O przebiega tak samo jak podczas konwencjonalnego spalania, tyle że w ogniwie paliwowym, lub inaczej – w generator elektrochemiczny W rezultacie powstaje prąd elektryczny o dużej wydajności i częściowo wytwarzający ciepło. Należy pamiętać, że węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazyna i inne mogą być również wykorzystywane jako paliwo w ogniwach paliwowych. materia organiczna, a jako utleniacze - powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, Kwas azotowy itp.

Rozwój ogniw paliwowych był kontynuowany dynamicznie zarówno za granicą, jak i w Rosji, a następnie w ZSRR. Wśród naukowców, którzy wnieśli wielki wkład w badania ogniw paliwowych, zauważamy V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. W połowie ubiegłego wieku rozpoczął się nowy atak na problemy ogniw paliwowych. Częściowo wynika to z pojawienia się nowych pomysłów, materiałów i technologii w wyniku badań nad obronnością.

Jednym z naukowców, który zrobił znaczący krok w rozwoju ogniw paliwowych, był P. M. Spiridonov. Pierwiastki wodorowo-tlenowe Spiridonowa dał gęstość prądu na poziomie 30 mA/cm2, co było wówczas uważane za wielkie osiągnięcie. W latach czterdziestych O. Davtyan stworzył instalację do elektrochemicznego spalania gazu generatorowego otrzymywanego w wyniku zgazowania węgla. Na każdy metr sześcienny objętości elementu Davtyan otrzymał 5 kW mocy.

To było pierwsze ogniwo paliwowe ze stałym elektrolitem. Miał wysoką wydajność, ale z biegiem czasu elektrolit stał się bezużyteczny i wymagał wymiany. Następnie Davtyan pod koniec lat pięćdziesiątych stworzył potężną instalację napędzającą traktor. W tych samych latach angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował baterię ogniw paliwowych o łącznej mocy 6 kW i sprawności 80%, zasilaną czystym wodorem i tlenem, przy czym stosunek mocy do masy akumulator okazał się za mały – takie elementy nie nadawały się do praktycznego zastosowania i były zbyt drogie.

W kolejnych latach minął czas samotników. Twórcy statków kosmicznych zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Od połowy lat 60. zainwestowano miliony dolarów w badania nad ogniwami paliwowymi. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła nam osiągnąć nowy poziom, a w 1965 roku. ogniwa paliwowe testowano w Stanach Zjednoczonych na statku kosmicznym Gemini 5, a później na statku kosmicznym Apollo podczas lotów na Księżyc oraz w ramach programu Shuttle.

W ZSRR w NPO Kvant opracowano ogniwa paliwowe, również do użytku w kosmosie. W tych latach pojawiły się już nowe materiały - stałe elektrolity polimerowe na bazie membran jonowymiennych, nowe typy katalizatorów, elektrody. Mimo to gęstość prądu roboczego była niewielka – w granicach 100-200 mA/cm2, a zawartość platyny na elektrodach wynosiła kilka g/cm2. Było wiele problemów związanych z trwałością, stabilnością i bezpieczeństwem.

Kolejny etap szybkiego rozwoju ogniw paliwowych rozpoczął się w latach 90-tych. ubiegłego wieku i trwa do dziś. Jest to spowodowane zapotrzebowaniem na nowe, efektywne źródła energii w związku z jednej strony z globalnym problemem ekologicznym polegającym na zwiększaniu się emisji gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, a z drugiej strony z wyczerpywaniem się zapasów tego paliwa . Ponieważ w ogniwie paliwowym końcowym produktem spalania wodoru jest woda, uznawane są one za najczystsze pod względem oddziaływania na środowisko. Głównym problemem jest po prostu znalezienie skutecznego i niedrogi sposób otrzymywanie wodoru.

Miliardy dolarów inwestycji finansowych w rozwój ogniw paliwowych i generatorów wodoru powinny doprowadzić do przełomu technologicznego i sprawić, że ich zastosowanie w życiu codziennym stanie się rzeczywistością: w ogniwach do telefonów komórkowych, w samochodach, w elektrowniach. Już tacy motoryzacyjni giganci jak Ballard, Honda, Daimler Chrysler czy General Motors demonstrują samochody i autobusy zasilane ogniwami paliwowymi o mocy 50 kW. Rozwinęło się wiele firm elektrownie demonstracyjne wykorzystujące ogniwa paliwowe z elektrolitem w postaci stałego tlenku o mocy do 500 kW. Jednak pomimo znaczącego przełomu w poprawie właściwości ogniw paliwowych, wiele problemów związanych z ich kosztem, niezawodnością i bezpieczeństwem nadal wymaga rozwiązania.

W ogniwie paliwowym, w przeciwieństwie do baterii i akumulatorów, zarówno paliwo, jak i utleniacz dostarczane są do niego z zewnątrz. Ogniwo paliwowe jedynie pośredniczy w reakcji i w idealnych warunkach mogłoby działać praktycznie bez końca. Piękno tej technologii polega na tym, że ogniwo faktycznie spala paliwo i bezpośrednio przekształca uwolnioną energię w energię elektryczną. Kiedy paliwo jest spalane bezpośrednio, jest ono utleniane przez tlen, a uwolnione ciepło wykorzystywane jest do wykonywania użytecznej pracy.

W ogniwie paliwowym, podobnie jak w akumulatorach, reakcje utleniania paliwa i redukcji tlenu są oddzielone przestrzennie, a proces „spalania” zachodzi tylko wtedy, gdy ogniwo dostarcza prąd do obciążenia. To tak jak generator diesla, tylko bez diesla i generatora. A także bez dymu, hałasu, przegrzania i ze znacznie wyższą wydajnością. To ostatnie tłumaczy się tym, że po pierwsze nie ma pośrednich urządzeń mechanicznych, a po drugie ogniwo paliwowe nie jest silnikiem cieplnym i w związku z tym nie podlega prawu Carnota (tzn. o jego sprawności nie decyduje różnica temperatur).

Tlen jest stosowany jako środek utleniający w ogniwach paliwowych. Co więcej, ponieważ w powietrzu jest wystarczająca ilość tlenu, nie ma potrzeby martwić się o dostawę środka utleniającego. Jeśli chodzi o paliwo, jest to wodór. Zatem reakcja zachodzi w ogniwie paliwowym:

2H2 + O2 → 2H2O + prąd + ciepło.

Rezultatem jest użyteczna energia i para wodna. Najprostszy w swojej strukturze jest Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów(patrz rysunek 1). Działa to w następujący sposób: wodór wchodzący do pierwiastka rozkłada się pod działaniem katalizatora na elektrony i dodatnio naładowane jony wodorowe H+. Wtedy do akcji wkracza specjalna membrana, pełniąca rolę elektrolitu w konwencjonalnym akumulatorze. Ze względu na skład chemiczny umożliwia przejście protonów, ale zatrzymuje elektrony. W ten sposób elektrony zgromadzone na anodzie tworzą nadmierny ładunek ujemny, a jony wodoru tworzą ładunek dodatni na katodzie (napięcie na elemencie wynosi około 1 V).

Aby uzyskać dużą moc, ogniwo paliwowe składa się z wielu ogniw. Jeśli podłączysz element do obciążenia, elektrony przepłyną przez niego do katody, tworząc prąd i kończąc proces utleniania wodoru tlenem. Mikrocząstki platyny osadzone na włóknie węglowym są zwykle stosowane jako katalizator w takich ogniwach paliwowych. Katalizator taki ze względu na swoją budowę dobrze przepuszcza gaz i prąd. Membrana jest zwykle wykonana z polimeru Nafion zawierającego siarkę. Grubość membrany wynosi dziesiętne części milimetra. Podczas reakcji oczywiście wydziela się również ciepło, ale w niewielkiej ilości, dlatego temperatura robocza utrzymuje się w granicach 40-80°C.

Ryc.1. Zasada działania ogniwa paliwowego

Istnieją inne typy ogniw paliwowych, różniące się głównie rodzajem użytego elektrolitu. Prawie wszystkie z nich jako paliwo wymagają wodoru, pojawia się więc logiczne pytanie: skąd go zdobyć. Oczywiście można by zastosować sprężony wodór z butli, ale od razu pojawiają się problemy związane z transportem i magazynowaniem tego wysoce łatwopalnego gazu pod wysokim ciśnieniem. Oczywiście wodór można stosować w postaci związanej, jak w akumulatorach metalowo-wodorkowych. Jednak zadanie jego wydobycia i transportu nadal pozostaje, ponieważ nie ma infrastruktury do tankowania wodoru.

Jednak i tutaj istnieje rozwiązanie – jako źródło wodoru można wykorzystać ciekłe paliwo węglowodorowe. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. To prawda, że ​​​​wymaga to specjalnego dodatkowego urządzenia - konwertera paliwa, który w wysokich temperaturach (dla metanolu będzie to około 240 ° C) przekształca alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2. Ale w tym przypadku już trudniej myśleć o przenośności – takie urządzenia dobrze sprawdzają się jako urządzenia stacjonarne, ale do kompaktowego sprzętu mobilnego potrzeba czegoś mniej nieporęcznego.

I tu dochodzimy do dokładnie urządzenia, które z straszliwą siłą rozwijają niemal wszyscy najwięksi producenci elektroniki – ogniwo paliwowe metanolowe(Rysunek 2).

Ryc.2. Zasada działania ogniwa paliwowego metanolowego

Podstawową różnicą pomiędzy ogniwami wodorowymi i metanolowymi jest zastosowany katalizator. Katalizator w ogniwie paliwowym metanolowym umożliwia bezpośrednie usuwanie protonów z cząsteczki alkoholu. Tym samym problem paliwa został rozwiązany – alkohol metylowy jest produkowany masowo dla przemysłu chemicznego, jest łatwy w przechowywaniu i transporcie, a do naładowania ogniwa paliwowego metanolowego wystarczy po prostu wymiana wkładu paliwowego. To prawda, że ​​\u200b\u200bjest jedna istotna wada - metanol jest toksyczny. Ponadto wydajność ogniwa paliwowego metanolowego jest znacznie niższa niż ogniwa wodorowego.

Ryż. 3. Ogniwo paliwowe metanolowe

Najbardziej kuszącą opcją jest wykorzystanie alkoholu etylowego jako paliwa, ponieważ produkcja i dystrybucja napojów alkoholowych o dowolnym składzie i mocy jest dobrze ugruntowana na całym świecie. Jednak wydajność ogniw paliwowych etanolowych jest niestety jeszcze niższa niż ogniw metanolowych.

Jak zauważono na przestrzeni wielu lat rozwoju w dziedzinie ogniw paliwowych, zbudowano różne typy ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według rodzaju elektrolitu i paliwa.

1. Stały polimerowy elektrolit wodorowo-tlenowy.

2. Ogniwa paliwowe ze stałego polimeru i metanolu.

3. Ogniwa elektrolitowe alkaliczne.

4. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego.

5. Elementy paliwowe na bazie stopionych węglanów.

6. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem.

W idealnym przypadku sprawność ogniw paliwowych jest bardzo wysoka, jednak w warunkach rzeczywistych występują straty związane z procesami nierównowagowymi, takie jak: straty omowe wynikające z przewodnictwa właściwego elektrolitu i elektrod, polaryzacja aktywacyjna i stężeniowa oraz straty dyfuzyjne. Dzięki temu część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamieniana jest na ciepło. Wysiłki specjalistów mają na celu ograniczenie tych strat.

Głównym źródłem strat omowych, a także przyczyną wysokiej ceny ogniw paliwowych, są perfluorowane sulfonowe membrany kationowymienne. Obecnie trwają poszukiwania alternatywnych, tańszych polimerów przewodzących protony. Ponieważ przewodność tych membran (elektrolitów stałych) osiąga dopuszczalną wartość (10 Ohm/cm) dopiero w obecności wody, gazy dostarczane do ogniwa paliwowego muszą być dodatkowo nawilżane w specjalnym urządzeniu, co również zwiększa koszt system. W katalitycznych elektrodach dyfuzyjnych wykorzystuje się głównie platynę i niektóre inne metale szlachetne i jak dotąd nie znaleziono dla nich zamiennika. Choć zawartość platyny w ogniwach paliwowych wynosi kilka mg/cm2, to w przypadku dużych akumulatorów jej ilość sięga kilkudziesięciu gramów.

Projektując ogniwa paliwowe, dużą uwagę zwraca się na system odprowadzania ciepła, gdyż przy dużych gęstościach prądu (do 1A/cm2) układ nagrzewa się samoczynnie. Do chłodzenia wykorzystuje się wodę krążącą w ogniwie paliwowym specjalnymi kanałami, a przy małych mocach – nadmuch powietrza.

Tak więc nowoczesny układ generatora elektrochemicznego, oprócz samego akumulatora ogniwa paliwowego, „zarasta” wieloma urządzeniami pomocniczymi, takimi jak: pompy, sprężarka do dostarczania powietrza, wtryskiwania wodoru, nawilżacz gazu, agregat chłodniczy, agregat gazowy system monitorowania wycieków, przetwornica DC-AC, procesor sterujący itp. Wszystko to powoduje, że koszt systemu ogniw paliwowych w latach 2004-2005 kształtował się na poziomie 2-3 tys. $/kW. Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe będą dostępne do stosowania w elektrowniach transportowych i stacjonarnych w cenie 50-100 dolarów/kW.

Aby wprowadzić ogniwa paliwowe do życie codzienne, wraz z tańszymi komponentami, musimy spodziewać się nowych, oryginalnych pomysłów i podejść. Szczególnie duże nadzieje pokłada się w zastosowaniu nanomateriałów i nanotechnologii. Przykładowo kilka firm ogłosiło niedawno stworzenie ultrawydajnych katalizatorów, zwłaszcza do elektrod tlenowych, opartych na klastrach nanocząstek różnych metali. Ponadto pojawiły się doniesienia o konstrukcjach ogniw paliwowych bez membran, w których paliwo ciekłe (takie jak metanol) jest podawane do ogniwa paliwowego wraz z utleniaczem. Interesująca jest także rozwijająca się koncepcja ogniw biopaliwowych pracujących w zanieczyszczonych wodach i zużywających rozpuszczony tlen z powietrza jako utleniacz oraz zanieczyszczenia organiczne jako paliwo.

Zdaniem ekspertów ogniwa paliwowe wejdą na rynek masowy w nadchodzących latach. Rzeczywiście, programiści jeden po drugim pokonują problemy techniczne, ogłaszają sukcesy i prezentują prototypy ogniw paliwowych. Na przykład firma Toshiba zademonstrowała gotowy prototyp ogniwa paliwowego na metanol. Ma wymiary 22x56x4,5mm i wytwarza moc około 100mW. Jedno uzupełnienie 2 kostek stężonego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Toshiba wypuściła komercyjne ogniwo paliwowe do zasilania telefonów komórkowych. Ponownie ta sama Toshiba zademonstrowała ogniwo do zasilania laptopów o wymiarach 275x75x40mm, pozwalające na pracę komputera przez 5 godzin na jednym ładowaniu.

Niedaleko Toshiby pozostaje kolejna japońska firma, Fujitsu. W 2004 roku wprowadziła także element działający w 30% wodnym roztworze metanolu. To ogniwo paliwowe działało na jednym ładowaniu 300 ml przez 10 godzin i wytwarzało moc 15 W.

Casio opracowuje ogniwo paliwowe, w którym metanol jest najpierw przekształcany w mieszaninę gazów H2 i CO2 w miniaturowym konwerterze paliwowym, a następnie wprowadzany do ogniwa paliwowego. Podczas demonstracji prototyp Casio zasilał laptopa przez 20 godzin.

Samsung odcisnął swoje piętno także na ogniwach paliwowych – w 2004 roku zademonstrował swój 12-watowy prototyp przeznaczony do zasilania laptopa. Generalnie Samsung planuje wykorzystanie ogniw paliwowych przede wszystkim w smartfonach czwartej generacji.

Trzeba przyznać, że japońskie firmy na ogół bardzo szczegółowo podeszły do ​​rozwoju ogniw paliwowych. Już w 2003 roku firmy takie jak Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba połączyły siły, aby opracować jednolity standard ogniw paliwowych dla laptopów, telefonów komórkowych, urządzeń PDA i innych urządzeń elektronicznych. Amerykańskie firmy, których też jest wiele na tym rynku, pracują głównie na kontraktach z wojskiem i opracowują ogniwa paliwowe do elektryfikacji amerykańskich żołnierzy.

Niemcy nie pozostają daleko w tyle – firma Smart Fuel Cell zajmuje się sprzedażą ogniw paliwowych do zasilania mobilnego biura. Urządzenie nosi nazwę Smart Fuel Cell C25, ma wymiary 150x112x65mm i może dostarczyć do 140 watogodzin na jedno napełnienie. To wystarczy, aby zasilić laptopa na około 7 godzin. Następnie wkład można wymienić i można kontynuować pracę. Rozmiar wkładu metanolowego wynosi 99x63x27 mm i waży 150g. Sam system waży 1,1 kg, więc nie można go nazwać w pełni przenośnym, ale wciąż jest urządzeniem w pełni kompletnym i wygodnym. Firma pracuje także nad modułem paliwowym do zasilania profesjonalnych kamer wideo.

Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe niemal weszły na rynek elektroniki mobilnej. Producenci muszą jeszcze rozwiązać ostatnie problemy techniczne przed rozpoczęciem masowej produkcji.

W pierwszej kolejności należy rozwiązać kwestię miniaturyzacji ogniw paliwowych. Przecież im mniejsze ogniwo paliwowe, tym mniej mocy może wytworzyć – dlatego stale opracowywane są nowe katalizatory i elektrody, które pozwalają maksymalizować powierzchnię roboczą przy małych rozmiarach. Tutaj z pomocą przychodzą najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii i nanomateriałów (np. nanorurek). Ponownie, do miniaturyzacji orurowania elementów (pompy paliwa i wody, układy chłodzenia i konwersji paliwa) coraz częściej wykorzystuje się osiągnięcia mikroelektromechaniki.

Drugim ważnym problemem, który należy rozwiązać, jest cena. W końcu w większości ogniw paliwowych jako katalizator stosuje się bardzo drogą platynę. Ponownie niektórzy producenci starają się maksymalnie wykorzystać już ugruntowane technologie krzemowe.

Jeśli chodzi o inne obszary zastosowań ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe zadomowiły się już tam dość mocno, choć nie weszły jeszcze do głównego nurtu ani w sektorze energetycznym, ani w transporcie. Wielu producentów samochodów zaprezentowało już swoje samochody koncepcyjne napędzane ogniwami paliwowymi. Autobusy napędzane ogniwami paliwowymi kursują w kilku miastach na całym świecie. Canadian Ballard Power Systems produkuje szeroką gamę generatorów stacjonarnych o mocy od 1 do 250 kW. Jednocześnie generatory kilowatowe mają na celu natychmiastowe zaopatrzenie jednego mieszkania w prąd, ciepło i ciepłą wodę.

Stany Zjednoczone prowadzą kilka inicjatyw mających na celu rozwój wodorowych ogniw paliwowych, infrastruktury i technologii, dzięki którym do 2020 r. pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi będą praktyczne i oszczędne pod względem zużycia paliwa. Na te cele przeznaczono ponad miliard dolarów.

Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną cicho i wydajnie, nie zanieczyszczając środowiska. W przeciwieństwie do źródeł energii wykorzystujących paliwa kopalne, produktami ubocznymi ogniw paliwowych są ciepło i woda. Jak to działa?

W tym artykule przyjrzymy się pokrótce każdej z istniejących obecnie technologii paliwowych, a także omówimy konstrukcję i działanie ogniw paliwowych oraz porównamy je z innymi formami produkcji energii. Omówimy także niektóre przeszkody, jakie napotykają badacze, chcąc uczynić ogniwa paliwowe praktycznymi i dostępnymi dla konsumentów.

Ogniwa paliwowe są urządzenia do elektrochemicznej konwersji energii. Ogniwo paliwowe przekształca substancje chemiczne, wodór i tlen w wodę, wytwarzając przy tym energię elektryczną.

Kolejnym urządzeniem elektrochemicznym, które wszyscy dobrze znamy, jest bateria. Bateria ma wszystko, czego potrzebujesz pierwiastki chemiczne wewnątrz siebie i zamienia te substancje w energię elektryczną. Oznacza to, że bateria w końcu się rozładuje i albo ją wyrzucisz, albo naładujesz ponownie.

W ogniwie paliwowym stale wprowadzane są do niego substancje chemiczne, dzięki czemu ogniwo nigdy nie „umarło”. Energia elektryczna będzie wytwarzana tak długo, jak chemikalia dostaną się do pierwiastka. Większość obecnie używanych ogniw paliwowych wykorzystuje wodór i tlen.

Wodór jest najpowszechniejszym pierwiastkiem w naszej Galaktyce. Jednak wodór praktycznie nie występuje na Ziemi w postaci elementarnej. Inżynierowie i naukowcy muszą wydobywać czysty wodór ze związków wodoru, w tym z paliw kopalnych lub wody. Aby wydobyć wodór z tych związków, trzeba wydać energię w postaci ciepła lub prądu.

Wynalezienie ogniw paliwowych

Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Grove wiedział, że wodę można rozbić na wodór i tlen, przepuszczając przez nią prąd elektryczny (proces tzw elektroliza). Zasugerował, że w odwrotnej kolejności można by pozyskać prąd i wodę. Stworzył prymitywne ogniwo paliwowe i nazwał je gazowa bateria galwaniczna. Po eksperymentach ze swoim nowym wynalazkiem Grove udowodnił swoją hipotezę. Pięćdziesiąt lat później naukowcy Ludwig Mond i Charles Langer ukuli ten termin ogniwa paliwowe przy próbie zbudowania praktycznego modelu wytwarzania energii elektrycznej.

Ogniwo paliwowe będzie konkurować z wieloma innymi urządzeniami przetwarzającymi energię, m.in. z turbinami gazowymi w elektrowniach miejskich, silnikami spalinowymi w samochodach czy wszelkiego rodzaju akumulatorami. Silniki spalinowe, podobnie jak turbiny gazowe, spalają różne rodzaje paliwa i wykorzystują ciśnienie powstałe w wyniku rozprężania gazów do wykonywania pracy mechanicznej. Baterie w razie potrzeby przekształcają energię chemiczną w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe muszą wykonywać te zadania wydajniej.

Ogniwo paliwowe zapewnia napięcie prądu stałego, które można wykorzystać do zasilania silników elektrycznych, oświetlenia i innych urządzeń elektrycznych.

Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych, z których każdy wykorzystuje inne procesy chemiczne. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według ich temperatura robocza I typelektrolit, z których korzystają. Niektóre typy ogniw paliwowych doskonale nadają się do stosowania w elektrowniach stacjonarnych. Inne mogą przydać się w małych urządzeniach przenośnych lub do zasilania samochodów. Główne typy ogniw paliwowych obejmują:

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC)

PEMFC jest uważany za najbardziej prawdopodobnego kandydata do zastosowań w transporcie. PEMFC charakteryzuje się zarówno dużą mocą, jak i stosunkowo niską temperaturą pracy (od 60 do 80 stopni Celsjusza). Niskie temperatury pracy oznaczają, że ogniwa paliwowe mogą szybko się nagrzać i rozpocząć wytwarzanie energii elektrycznej.

Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się do dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogłyby zasilać fabryki lub miasta. Ten typ ogniwa paliwowego działa w bardzo wysokich temperaturach (700 do 1000 stopni Celsjusza). Wysoka temperatura stwarza problem z niezawodnością, ponieważ niektóre ogniwa paliwowe mogą ulec awarii po kilku cyklach włączania i wyłączania. Jednakże ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem są bardzo stabilne podczas ciągłej pracy. W rzeczywistości SOFC wykazały najdłuższą żywotność spośród wszystkich ogniw paliwowych w określonych warunkach. Wysoka temperatura ma również tę zaletę, że para wytwarzana przez ogniwa paliwowe może być przesyłana do turbin i wytwarzać więcej energii elektrycznej. Proces ten nazywa się kogeneracja ciepła i energii elektrycznej i poprawia ogólną wydajność systemu.

Alkaliczne ogniwo paliwowe (AFC)

Jest to jedna z najstarszych konstrukcji ogniw paliwowych, stosowana od lat 60. XX wieku. AFC są bardzo podatne na zanieczyszczenia, ponieważ wymagają czystego wodoru i tlenu. Ponadto są one bardzo drogie, dlatego jest mało prawdopodobne, aby tego typu ogniwa paliwowe trafiły do ​​masowej produkcji.

Ogniwo paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)

Podobnie jak SOFC, te ogniwa paliwowe najlepiej nadają się również do dużych stacjonarnych elektrowni i generatorów. Działają w temperaturze 600 stopni Celsjusza, dzięki czemu mogą wytwarzać parę, którą z kolei można wykorzystać do wygenerowania jeszcze większej ilości energii. Mają niższą temperaturę pracy niż ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem, co oznacza, że ​​nie wymagają materiałów żaroodpornych. Dzięki temu są nieco tańsze.

Ogniwo paliwowe na bazie kwasu fosforowego (PAFC)

Ogniwo paliwowe na bazie kwasu fosforowego ma potencjał do zastosowania w małych stacjonarnych systemach elektroenergetycznych. Działa w wyższej temperaturze niż ogniwo paliwowe z membraną wymienną polimerową, dlatego nagrzewanie trwa dłużej, przez co nie nadaje się do stosowania w samochodach.

Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC)

Ogniwa paliwowe na metanol są porównywalne z PEMFC pod względem temperatury pracy, ale nie są tak wydajne. Ponadto DMFC wymagają dość duża ilość platyna działa jak katalizator, co sprawia, że ​​ogniwa paliwowe są drogie.

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany polimerów

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany polimerów (PEMFC) to jedna z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych. PEMFC wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji dowolnego ogniwa paliwowego. Przyjrzyjmy się, z czego się składa.

1. A węzeł – zacisk ujemny ogniwa paliwowego. Przewodzi elektrony uwalniane z cząsteczek wodoru, po czym można je wykorzystać w obwodzie zewnętrznym. Posiada wygrawerowane kanały, którymi gazowy wodór równomiernie rozprowadza się po powierzchni katalizatora.

2.DO katoda - zacisk dodatni ogniwa paliwowego posiada również kanały rozprowadzające tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi także elektrony z zewnętrznego obwodu katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenu, tworząc wodę.

3.Membrana do wymiany elektrolit-proton. Jest to specjalnie obrobiony materiał, który przewodzi tylko dodatnio naładowane jony i blokuje elektrony. W przypadku PEMFC membrana musi być nawodniona, aby mogła prawidłowo funkcjonować i pozostać stabilna.

4. Katalizator to specjalny materiał, który wspomaga reakcję tlenu i wodoru. Zwykle jest wykonany z nanocząstek platyny nałożonych bardzo cienko na kalkę lub tkaninę. Katalizator ma taką strukturę powierzchni, że maksymalna powierzchnia platyny może być wystawiona na działanie wodoru lub tlenu.

Rysunek przedstawia wodór (H2) wchodzący do ogniwa paliwowego pod ciśnieniem od strony anody. Kiedy cząsteczka H2 wchodzi w kontakt z platyną na katalizatorze, dzieli się na dwa jony H+ i dwa elektrony. Elektrony przechodzą przez anodę, gdzie są wykorzystywane w obwodach zewnętrznych (wykonując pożyteczną pracę, np. obracanie silnika) i wracają na katodową stronę ogniwa paliwowego.

Tymczasem po stronie katody ogniwa paliwowego tlen (O2) z powietrza przechodzi przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny. Ten ładunek ujemny przyciąga dwa jony H+ przez membranę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami pochodzącymi z obwodu zewnętrznego, tworząc cząsteczkę wody (H2O).

Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza tylko około 0,7 wolta. Aby podnieść napięcie do rozsądnego poziomu, należy połączyć wiele pojedynczych ogniw paliwowych, tworząc stos ogniw paliwowych. Płytki bipolarne służą do łączenia jednego ogniwa paliwowego z drugim i poddawane są utlenianiu w celu zmniejszenia potencjału. Dużym problemem płyt bipolarnych jest ich stabilność. Metalowe płytki dwubiegunowe mogą ulegać korozji, a produkty uboczne (jony żelaza i chromu) zmniejszają wydajność membran i elektrod ogniw paliwowych. Dlatego w niskotemperaturowych ogniwach paliwowych wykorzystuje się metale lekkie, grafit oraz kompozyty węgla i termoutwardzalne (termoutwardzalne to rodzaj tworzywa sztucznego, które pozostaje stałe nawet pod wpływem wysokich temperatur) w postaci bipolarnego materiału arkuszowego.

Wydajność ogniw paliwowych

Redukcja zanieczyszczeń jest jednym z głównych celów ogniwa paliwowego. Porównując samochód zasilany ogniwem paliwowym z samochodem napędzanym silnikiem benzynowym i samochodem zasilanym akumulatorem, można zobaczyć, jak ogniwa paliwowe mogłyby poprawić wydajność samochodów.

Ponieważ wszystkie trzy typy samochodów mają wiele takich samych elementów, zignorujemy tę część samochodu i porównamy przydatne działania do momentu wytworzenia energii mechanicznej. Zacznijmy od samochodu na ogniwa paliwowe.

Jeżeli ogniwo paliwowe zasilane jest czystym wodorem, jego sprawność może sięgać nawet 80 proc. W ten sposób przekształca 80 procent energii zawartej w wodorze w energię elektryczną. Jednak nadal musimy przekształcić energię elektryczną w pracę mechaniczną. Osiąga się to za pomocą silnika elektrycznego i falownika. Sprawność silnika + falownika również wynosi około 80 procent. Daje to ogólną wydajność około 80*80/100=64 procent. Według doniesień, pojazd koncepcyjny Hondy FCX ma efektywność energetyczną na poziomie 60 procent.

Jeżeli źródłem paliwa nie jest czysty wodór, pojazd również będzie wymagał reformingu. Reformatory przekształcają paliwa węglowodorowe lub alkoholowe w wodór. Wytwarzają ciepło i oprócz wodoru wytwarzają CO i CO2. Do oczyszczania powstałego wodoru stosują różne urządzenia, jednak oczyszczanie to jest niewystarczające i zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego naukowcy postanowili skoncentrować się na ogniwach paliwowych Pojazd, zasilane czystym wodorem, pomimo wyzwań związanych z produkcją i magazynowaniem wodoru.

Efektywność silnika benzynowego i samochodu akumulatorowo-elektrycznego

Sprawność samochodu zasilanego benzyną jest zaskakująco niska. Całe ciepło oddane lub pochłonięte przez grzejnik jest energią marnowaną. Silnik zużywa również dużo energii do napędzania różnych pomp, wentylatorów i generatorów, które utrzymują go w ruchu. Zatem ogólna sprawność benzynowego silnika samochodowego wynosi około 20 procent. Zatem tylko około 20 procent energii cieplnej zawartej w benzynie przekształca się w pracę mechaniczną.

Pojazd elektryczny zasilany akumulatorowo charakteryzuje się dość dużą wydajnością. Bateria jest sprawna w około 90 procentach (większość akumulatorów generuje pewną ilość ciepła lub wymaga ogrzewania), a silnik + falownik mają sprawność w około 80 procentach. Daje to ogólną wydajność na poziomie około 72 procent.

Ale to nie wszystko. Aby samochód elektryczny mógł się poruszać, najpierw trzeba gdzieś wytworzyć energię elektryczną. Jeżeli była to elektrownia wykorzystująca proces spalania paliw kopalnych (a nie energia jądrowa, wodna, słoneczna czy wiatrowa), wówczas tylko około 40 procent paliwa zużywanego przez elektrownię zostało przetworzone na energię elektryczną. Ponadto proces ładowania samochodu wymaga konwersji prądu przemiennego (AC) na prąd stały (DC). Proces ten ma wydajność około 90 procent.

Jeśli teraz spojrzymy na cały cykl, wydajność pojazdu elektrycznego wynosi 72 procent w przypadku samego pojazdu, 40 procent w przypadku elektrowni i 90 procent w przypadku ładowania pojazdu. Daje to ogólną wydajność na poziomie 26 procent. Ogólna wydajność różni się znacznie w zależności od tego, która elektrownia jest używana do ładowania akumulatora. Jeśli na przykład energia elektryczna samochodu jest wytwarzana przez elektrownię wodną, ​​sprawność samochodu elektrycznego wyniesie około 65 procent.

Naukowcy badają i udoskonalają projekty mające na celu dalszą poprawę wydajności ogniwa paliwowego. Jednym z nowych podejść byłoby połączenie pojazdów zasilanych ogniwami paliwowymi i akumulatorami. Trwają prace nad pojazdem koncepcyjnym napędzanym hybrydowym układem napędowym zasilanym ogniwem paliwowym. Do zasilania samochodu wykorzystuje akumulator litowy, a ogniwo paliwowe ładuje akumulator.

Pojazdy zasilane ogniwami paliwowymi są potencjalnie tak samo wydajne, jak samochody zasilane akumulatorowo, ładowane z elektrowni, która nie wykorzystuje paliw kopalnych. Jednak wykorzystanie tego potencjału w praktyczny i przystępny sposób może być trudne.

Dlaczego warto używać ogniw paliwowych?

Głównym powodem jest wszystko, co jest związane z ropą. Ameryka musi importować prawie 60 procent swojej ropy. Oczekuje się, że do 2025 r. import wzrośnie do 68%. Amerykanie zużywają codziennie dwie trzecie ropy do transportu. Nawet gdyby każdy samochód na ulicy był samochodem hybrydowym, do 2025 roku Stany Zjednoczone nadal musiałyby zużywać taką samą ilość ropy, jaką Amerykanie zużyli w 2000 roku. Tak naprawdę Ameryka zużywa jedną czwartą całej światowej ropy, chociaż mieszka tu tylko 4,6% światowej populacji.

Eksperci spodziewają się, że ceny ropy naftowej będą nadal rosły w ciągu najbliższych kilku dekad w miarę wyczerpywania się tańszych źródeł. Koncerny naftowe muszą zagospodarowywać pola naftowe w coraz trudniejszych warunkach, co spowoduje wzrost cen ropy.

Obawy wykraczają daleko poza bezpieczeństwo gospodarcze. Dużo pieniędzy pochodzących ze sprzedaży ropy naftowej wydaje się na wspieranie międzynarodowego terroryzmu radykalnego partie polityczne, niestabilna sytuacja w regionach wydobywających ropę naftową.

Wykorzystywanie ropy naftowej i innych paliw kopalnych do celów energetycznych powoduje zanieczyszczenie. Najlepiej dla każdego będzie znaleźć alternatywę dla spalania paliw kopalnych w celu uzyskania energii.

Ogniwa paliwowe są atrakcyjną alternatywą dla uzależnienia od ropy. Zamiast zanieczyszczać środowisko, ogniwa paliwowe jako produkt uboczny wytwarzają czystą wodę. Chociaż inżynierowie tymczasowo skupili się na produkcji wodoru z różnych źródeł kopalnych, takich jak benzyna czy gaz ziemny, bada się odnawialne, przyjazne dla środowiska sposoby wytwarzania wodoru w przyszłości. Najbardziej obiecujący będzie oczywiście proces produkcji wodoru z wody

Uzależnienie od ropy i globalne ocieplenie- problem międzynarodowy. Kilka krajów wspólnie angażuje się w promowanie badań i rozwoju technologii ogniw paliwowych.

Nie ulega wątpliwości, że przed naukowcami i producentami jeszcze wiele pracy, zanim ogniwa paliwowe staną się alternatywą dla nowoczesnych metod pozyskiwania energii. Jednak dzięki ogólnoświatowemu wsparciu i globalnej współpracy opłacalny system zasilania ogniwami paliwowymi może stać się rzeczywistością w ciągu zaledwie kilku dekad.

Ogniwo paliwowe to elektrochemiczne urządzenie do konwersji energii, które w wyniku reakcji chemicznej przekształca wodór i tlen w energię elektryczną. W wyniku tego procesu powstaje woda i wydziela się duża ilość ciepła. Ogniwo paliwowe jest bardzo podobne do akumulatora, który można ładować, a następnie wykorzystywać zmagazynowaną energię elektryczną.
Za wynalazcę ogniwa paliwowego uważa się Williama R. Grove'a, który wynalazł je już w 1839 roku. W tym ogniwie paliwowym jako elektrolit zastosowano roztwór kwasu siarkowego, a jako paliwo wodór, który w połączeniu z tlenem środek utleniający. Należy zaznaczyć, że do niedawna ogniwa paliwowe były stosowane wyłącznie w laboratoriach i na statkach kosmicznych.
W przyszłości ogniwa paliwowe będą mogły konkurować z wieloma innymi systemami konwersji energii (m.in. z turbinami gazowymi w elektrowniach), silnikami spalinowymi w samochodach czy akumulatorami elektrycznymi w urządzeniach przenośnych. Silniki spalinowe spalają paliwo i wykorzystują do działania ciśnienie powstałe w wyniku rozprężania się gazów spalinowych Praca mechaniczna. Baterie przechowują energię elektryczną, a następnie przekształcają ją w energię chemiczną, którą w razie potrzeby można ponownie przekształcić w energię elektryczną. Ogniwa paliwowe są potencjalnie bardzo wydajne. Już w 1824 roku francuski uczony Carnot udowodnił, że cykle sprężania i rozprężania silnika spalinowego nie mogą zapewnić sprawności konwersji energii cieplnej (czyli energii chemicznej spalania paliwa) na energię mechaniczną powyżej 50%. Ogniwo paliwowe nie ma ruchomych części (przynajmniej nie w samym ogniwie) i dlatego nie podlega prawu Carnota. Naturalnie będą miały sprawność większą niż 50% i są szczególnie skuteczne przy małych obciążeniach. Zatem pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi mogą stać się (i już okazały się) bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa niż pojazdy konwencjonalne w rzeczywistych warunkach jazdy.
Ogniwo paliwowe wytwarza prąd elektryczny o stałym napięciu, który można wykorzystać do napędzania silnika elektrycznego, oświetlenia i innych układów elektrycznych w pojeździe. Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się zastosowanymi procesami chemicznymi. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według rodzaju stosowanego elektrolitu. Niektóre typy ogniw paliwowych są obiecujące w napędzie elektrowni, inne zaś mogą być przydatne w małych urządzeniach przenośnych lub do zasilania samochodów.
Alkaliczne ogniwo paliwowe jest jednym z pierwszych opracowanych ogniw. Są wykorzystywane w amerykańskim programie kosmicznym od lat 60. XX wieku. Takie ogniwa paliwowe są bardzo podatne na zanieczyszczenia i dlatego wymagają bardzo czystego wodoru i tlenu. Są również bardzo drogie, co oznacza, że ​​tego typu ogniwa paliwowe prawdopodobnie nie będą powszechnie stosowane w samochodach.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego mogą znaleźć zastosowanie w stacjonarnych instalacjach małej mocy. Pracują w dość wysokich temperaturach, dlatego nagrzewają się długo, co również czyni je nieskutecznymi w zastosowaniu w samochodach.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem lepiej nadają się do dużych stacjonarnych generatorów prądu, które mogłyby dostarczać energię do fabryk lub społeczności. Ten typ ogniwa paliwowego pracuje w bardzo wysokich temperaturach (około 1000°C). Wysoka temperatura pracy stwarza pewne problemy, ale z drugiej strony ma zaletę – parę wytwarzaną przez ogniwo paliwowe można przesłać do turbin, aby wygenerować więcej energii elektrycznej. Ogólnie rzecz biorąc, poprawia to ogólną wydajność systemu.
Jednym z najbardziej obiecujących systemów jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC – Protone Exchange Membrane Fuel Cell). Obecnie ten rodzaj ogniw paliwowych jest najbardziej obiecujący, ponieważ może zasilać samochody osobowe, autobusy i inne pojazdy.

Procesy chemiczne w ogniwie paliwowym

Ogniwa paliwowe wykorzystują proces elektrochemiczny do łączenia wodoru z tlenem uzyskanym z powietrza. Podobnie jak baterie, ogniwa paliwowe wykorzystują elektrody (stałe przewodniki elektryczne) umieszczonego w elektrolicie (ośrodku przewodzącym prąd elektryczny). Kiedy cząsteczki wodoru stykają się z elektrodą ujemną (anodą), ta ostatnia zostaje rozdzielona na protony i elektrony. Protony przechodzą przez membranę do wymiany protonów (POEM) do elektrody dodatniej (katody) ogniwa paliwowego, wytwarzając energię elektryczną. Następuje chemiczne połączenie cząsteczek wodoru i tlenu, w wyniku czego powstaje woda jako produkt uboczny tej reakcji. Jedynym rodzajem emisji z ogniwa paliwowego jest para wodna.
Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe może zostać wykorzystana w elektrycznym układzie napędowym pojazdu (składającym się z przetwornika mocy i silnika indukcyjnego prądu przemiennego) w celu zapewnienia energii mechanicznej do napędzania pojazdu. Zadaniem konwertera mocy jest przekształcenie stałego prądu elektrycznego wytwarzanego przez ogniwa paliwowe na prąd przemienny, na którym pracuje silnik trakcyjny pojazdu.

Schemat ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów:
1 - anoda;
2 - membrana do wymiany protonów (PEM);
3 - katalizator (czerwony);
4 - katoda

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) wykorzystuje jedną z najprostszych reakcji występujących w każdym ogniwie paliwowym.

Jednoogniwowe ogniwo paliwowe

Przyjrzyjmy się, jak działa ogniwo paliwowe. Anoda, biegun ujemny ogniwa paliwowego, przewodzi elektrony uwolnione od cząsteczek wodoru, dzięki czemu można je wykorzystać w zewnętrznym obwodzie elektrycznym. W tym celu wygrawerowane są w nim kanały, które równomiernie rozprowadzają wodór na całej powierzchni katalizatora. Katoda (biegun dodatni ogniwa paliwowego) ma wytrawione kanały, które rozprowadzają tlen po powierzchni katalizatora. Przewodzi także elektrony z powrotem z zewnętrznej pętli (obwodu) do katalizatora, gdzie mogą łączyć się z jonami wodoru i tlenem, tworząc wodę. Elektrolit jest membraną do wymiany protonów. Jest to specjalny materiał podobny do zwykłego plastiku, ale ma zdolność przepuszczania dodatnio naładowanych jonów i blokowania przejścia elektronów.
Katalizator to specjalny materiał ułatwiający reakcję tlenu z wodorem. Katalizator jest zwykle wykonany z proszku platyny nałożonego bardzo cienką warstwą na kalkę lub tkaninę. Katalizator musi być szorstki i porowaty, aby jego powierzchnia mogła mieć maksymalny kontakt z wodorem i tlenem. Strona katalizatora pokryta platyną znajduje się przed membraną do wymiany protonów (PEM).
Wodór (H2) jest dostarczany do ogniwa paliwowego pod ciśnieniem z anody. Kiedy cząsteczka H2 wchodzi w kontakt z platyną na katalizatorze, dzieli się na dwie części, dwa jony (H+) i dwa elektrony (e–). Elektrony są prowadzone przez anodę, gdzie przechodzą przez zewnętrzną pętlę (obwód), wykonując użyteczną pracę (taką jak napędzanie silnika elektrycznego) i wracają po stronie katody ogniwa paliwowego.
Tymczasem po stronie katody ogniwa paliwowego gazowy tlen (O 2 ) przechodzi przez katalizator, gdzie tworzy dwa atomy tlenu. Każdy z tych atomów ma silny ładunek ujemny, który przyciąga dwa jony H+ przez membranę, gdzie łączą się z atomem tlenu i dwoma elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc cząsteczkę wody (H 2 O).
Ta reakcja w pojedynczym ogniwie paliwowym wytwarza około 0,7 W mocy. Aby podnieść moc do wymaganego poziomu, należy połączyć wiele pojedynczych ogniw paliwowych, tworząc stos ogniw paliwowych.
Ogniwa paliwowe POM działają w stosunkowo niskich temperaturach (około 80°C), co oznacza, że ​​można je szybko doprowadzić do temperatury roboczej i nie wymagają drogich systemów chłodzenia. Ciągłe udoskonalanie technologii i materiałów stosowanych w tych ogniwach zbliżyło ich moc do punktu, w którym bateria takich ogniw paliwowych, zajmująca niewielką część bagażnika samochodu, jest w stanie zapewnić energię potrzebną do napędzania samochodu.
W ciągu ostatnich lat większość wiodących producentów samochodów na świecie poczyniła znaczne inwestycje w rozwój konstrukcji pojazdów wykorzystujących ogniwa paliwowe. Wiele z nich zademonstrowało już pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi o zadowalającej charakterystyce mocy i dynamiki, choć były one dość wysoki koszt.
Udoskonalanie konstrukcji takich samochodów jest bardzo intensywne.

Pojazd zasilany ogniwami paliwowymi wykorzystuje elektrownię umieszczoną pod podłogą pojazdu

NECAR V bazuje na samochodzie Mercedes-Benz klasy A, a cały zespół napędowy wraz z ogniwami paliwowymi znajduje się pod podłogą samochodu. Ten konstruktywne rozwiązanie umożliwia przewożenie w samochodzie czterech pasażerów i bagażu. Tutaj jako paliwo do samochodu wykorzystywany jest nie wodór, ale metanol. Metanol za pomocą reformera (urządzenia przekształcającego metanol w wodór) przekształca się w wodór niezbędny do zasilania ogniwa paliwowego. Zastosowanie reformera na pokładzie samochodu umożliwia wykorzystanie jako paliwa niemal dowolnych węglowodorów, co pozwala na tankowanie samochodu zasilanego ogniwami paliwowymi przy wykorzystaniu istniejącej sieci stacji benzynowych. Teoretycznie ogniwa paliwowe wytwarzają jedynie energię elektryczną i wodę. Przekształcenie paliwa (benzyny lub metanolu) w wodór wymagany do ogniw paliwowych nieco zmniejsza atrakcyjność ekologiczną takiego samochodu.
Honda, która zajmuje się ogniwami paliwowymi od 1989 r., w 2003 r. wyprodukowała małą partię pojazdów Honda FCX-V4 wyposażonych w ogniwa paliwowe z wymianą protonów z membraną Ballarda. Ogniwa te wytwarzają moc elektryczną 78 kW, a do napędu kół napędowych służą elektryczne silniki trakcyjne o mocy 60 kW i momencie obrotowym 272 Nm. Samochód na ogniwa paliwowe w porównaniu do samochodu tradycyjnego waży ok. 40% mniej, co zapewnia mu doskonałą dynamikę, a zasilanie sprężonym wodorem pozwala na przejechanie nawet 355 km.

Honda FCX do jazdy wykorzystuje energię elektryczną wytwarzaną przez ogniwa paliwowe.
Honda FCX to pierwszy na świecie pojazd napędzany ogniwami paliwowymi, który otrzymał certyfikat rządowy w Stanach Zjednoczonych. Samochód posiada certyfikat zgodności ze standardami ZEV – Zero Emission Vehicle. Honda nie zamierza jeszcze sprzedawać tych samochodów, ale leasinguje około 30 sztuk na sztukę. Kalifornia i Tokio, gdzie istnieje już infrastruktura do tankowania wodoru.

Pojazd koncepcyjny Hy Wire firmy General Motors jest wyposażony w układ napędowy z ogniwami paliwowymi

General Motors prowadzi szeroko zakrojone badania nad rozwojem i tworzeniem pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi.

Podwozie samochodu Hy Wire

Na samochód koncepcyjny GM Hy Wire wydano 26 patentów. Podstawą samochodu jest funkcjonalna platforma o grubości 150 mm. Wewnątrz platformy znajdują się zbiorniki wodoru, układ napędowy oparty na ogniwach paliwowych oraz systemy sterowania pojazdem wykorzystujące najnowsze technologie drive-by-wire. Podwozie pojazdu Hy Wire to cienka platforma, w której znajdują się wszystkie główne elementy konstrukcyjne pojazdu: zbiorniki wodoru, ogniwa paliwowe, akumulatory, silniki elektryczne i układy sterowania. Takie podejście do projektowania umożliwia zmianę karoserii w trakcie eksploatacji.Firma testuje także prototypowe samochody marki Opel na ogniwa paliwowe oraz projektuje instalację do ich produkcji.

Projekt „bezpiecznego” zbiornika paliwa na skroplony wodór:
1 - urządzenie napełniające;
2 - zbiornik zewnętrzny;
3 - podpory;
4 - czujnik poziomu;
5 - zbiornik wewnętrzny;
6 - linia napełniania;
7 - izolacja i próżnia;
8 - grzejnik;
9 - skrzynka montażowa

BMW przywiązuje dużą wagę do problemu wykorzystania wodoru jako paliwa do samochodów osobowych. Wspólnie z firmą Magna Steyer, znaną z prac nad wykorzystaniem skroplonego wodoru w eksploracji kosmosu, BMW opracowało zbiornik paliwa na skroplony wodór, który można zastosować w samochodach.

Badania potwierdziły bezpieczeństwo stosowania zbiornika paliwa ciekłego wodoru

Firma przeprowadziła szereg badań bezpieczeństwa konstrukcji standardowymi metodami i potwierdziła jej niezawodność.
W 2002 roku na targach motoryzacyjnych we Frankfurcie nad Menem (Niemcy) zaprezentowano Mini Cooper Hydrogen, który jako paliwo wykorzystuje skroplony wodór. Zbiornik paliwa w tym samochodzie zajmuje tyle samo miejsca, co zwykły zbiornik paliwa. Wodór w tym samochodzie nie jest wykorzystywany do ogniw paliwowych, ale jako paliwo do silnika spalinowego.

Pierwszy na świecie samochód produkcyjny z ogniwem paliwowym zamiast akumulatora

W 2003 roku BMW ogłosiło produkcję pierwszego seryjnego samochodu z ogniwem paliwowym – BMW 750 hl. Zamiast tradycyjnego akumulatora zastosowano akumulator z ogniwami paliwowymi. Samochód ten wyposażony jest w 12-cylindrowy silnik spalinowy zasilany wodorem, a ogniwo paliwowe stanowi alternatywę dla konwencjonalnego akumulatora, umożliwiając działanie klimatyzatora i innych odbiorników energii elektrycznej, gdy samochód jest zaparkowany przez dłuższy czas bez włączonego silnika.

Napełnianie wodorem odbywa się za pomocą robota, w proces ten nie jest zaangażowany kierowca

Ta sama firma BMW opracowała także zrobotyzowane dystrybutory paliwa, które zapewniają szybkie i bezpieczne tankowanie samochodów skroplonym wodorem.
Wygląd w ostatnie lata Duża liczba osiągnięć mających na celu tworzenie samochodów wykorzystujących paliwa alternatywne i alternatywne układy napędowe sugeruje, że silniki spalinowe, które dominowały w samochodach przez ostatnie stulecie, ostatecznie ustąpią miejsca czystszym, wydajniejszym i cichszym konstrukcjom. Ich powszechne przyjęcie jest obecnie ograniczone nie względami technicznymi, ale raczej problemami gospodarczymi i społecznymi. Do ich powszechnego stosowania konieczne jest stworzenie określonej infrastruktury dla rozwoju produkcji paliw alternatywnych, tworzenia i dystrybucji nowych stacji benzynowych oraz pokonanie szeregu barier psychologicznych. Stosowanie wodoru jako paliwa do pojazdów będzie wymagało rozwiązania kwestii związanych z magazynowaniem, dostawą i dystrybucją przy zastosowaniu poważnych środków bezpieczeństwa.
Wodór jest teoretycznie dostępny w nieograniczonych ilościach, jednak jego produkcja jest bardzo energochłonna. Ponadto, aby przerobić samochody na paliwo wodorowe, należy dokonać dwóch dużych zmian w systemie zasilania: po pierwsze, przełączenie jego pracy z benzyny na metanol, a następnie z czasem na wodór. Minie trochę czasu, zanim ten problem zostanie rozwiązany.

Ogniwo paliwowe ( Ogniwo paliwowe) to urządzenie przekształcające energię chemiczną w energię elektryczną. Jest on w zasadzie podobny do konwencjonalnego akumulatora, różni się jednak tym, że jego działanie wymaga stałego dopływu substancji z zewnątrz, aby zaszła reakcja elektrochemiczna. Wodór i tlen dostarczane są do ogniw paliwowych, a na wyjściu wytwarzana jest energia elektryczna, woda i ciepło. Do ich zalet zalicza się przyjazność dla środowiska, niezawodność, trwałość i łatwość obsługi. W odróżnieniu od konwencjonalnych akumulatorów, przetwornice elektrochemiczne mogą pracować praktycznie bez przerwy, dopóki dostarczane jest paliwo. Nie trzeba ich ładować godzinami, aż do pełnego naładowania. Co więcej, same ogniwa potrafią ładować akumulator w czasie postoju samochodu z wyłączonym silnikiem.

Najszerzej stosowanymi ogniwami paliwowymi w pojazdach wodorowych są ogniwa paliwowe z membraną protonową (PEMFC) i ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC).

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów działa w następujący sposób. Pomiędzy anodą a katodą znajduje się specjalna membrana i katalizator pokryty platyną. Wodór jest dostarczany do anody, a tlen (na przykład z powietrza) jest dostarczany do katody. Na anodzie wodór rozkłada się na protony i elektrony za pomocą katalizatora. Protony wodoru przechodzą przez membranę i docierają do katody, a elektrony przenoszone są do obwodu zewnętrznego (membrana nie pozwala im przejść). Uzyskana w ten sposób różnica potencjałów prowadzi do wytworzenia prądu elektrycznego. Po stronie katody protony wodoru są utleniane przez tlen. W efekcie pojawia się para wodna, która jest głównym składnikiem spalin samochodowych. Posiadające wysoką wydajność ogniwa PEM mają jedną zasadniczą wadę – do ich pracy potrzebny jest czysty wodór, którego magazynowanie stanowi dość poważny problem.

Jeśli zostanie znaleziony taki katalizator, który zastąpi w tych ogniwach kosztowną platynę, wówczas natychmiast powstanie tanie ogniwo paliwowe do wytwarzania energii elektrycznej, co oznacza, że ​​świat pozbędzie się uzależnienia od ropy.

Ogniwa ze stałym tlenkiem

Ogniwa SOFC ze stałym tlenkiem są znacznie mniej wymagające pod względem czystości paliwa. Ponadto, dzięki zastosowaniu reformera POX (częściowe utlenianie), ogniwa takie mogą jako paliwo zużywać zwykłą benzynę. Proces bezpośredniej konwersji benzyny na energię elektryczną przebiega następująco. W specjalnym urządzeniu - reformerze, w temperaturze około 800 ° C benzyna odparowuje i rozkłada się na pierwiastki składowe.

Powoduje to uwolnienie wodoru i dwutlenku węgla. Ponadto, również pod wpływem temperatury i przy bezpośrednim zastosowaniu SOFC (składającego się z porowatego materiału ceramicznego na bazie tlenku cyrkonu), wodór ulega utlenieniu przez tlen zawarty w powietrzu. Po uzyskaniu wodoru z benzyny proces przebiega według opisanego powyżej scenariusza, z jedną tylko różnicą: ogniwo paliwowe SOFC w odróżnieniu od urządzeń pracujących na wodorze jest mniej wrażliwe na zanieczyszczenia zawarte w pierwotnym paliwie. Zatem jakość benzyny nie powinna wpływać na działanie ogniwa paliwowego.

Dużą wadą jest wysoka temperatura pracy SOFC (650–800 stopni), gdyż proces nagrzewania trwa około 20 minut. Ale nadmiar ciepła nie stanowi problemu, ponieważ jest całkowicie usuwany przez pozostałe powietrze i gazy spalinowe wytwarzane przez reformer i samo ogniwo paliwowe. Dzięki temu system SOFC można zintegrować z pojazdem jako osobne urządzenie w izolowanej termicznie obudowie.

Modułowa budowa pozwala na osiągnięcie wymaganego napięcia poprzez połączenie szeregowe zestawu standardowych ogniw. I co być może najważniejsze z punktu widzenia realizacji tego typu urządzeń, SOFC nie zawiera bardzo drogich elektrod na bazie platyny. To właśnie wysoki koszt tych elementów jest jedną z przeszkód w rozwoju i upowszechnieniu technologii PEMFC.

Rodzaje ogniw paliwowych

Obecnie istnieją następujące typy ogniw paliwowych:

• AFC– Alkaliczne ogniwo paliwowe (alkaliczne ogniwo paliwowe);
• PAFC– Ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym (ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym);
• PEMFC– Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów);
• DMFC– Ogniwo paliwowe z bezpośrednim metanolem (ogniwo paliwowe z bezpośrednim rozkładem metanolu);
• MCFC– Ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu (ogniwo paliwowe ze stopionego węglanu);
• SOFC– Ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem (ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem).

Ogniwa paliwowe (generatory elektrochemiczne) stanowią bardzo wydajną, trwałą, niezawodną i przyjazną dla środowiska metodę wytwarzania energii. Początkowo wykorzystywano je wyłącznie w przemyśle kosmicznym, jednak dziś generatory elektrochemiczne znajdują coraz szersze zastosowanie w różnych dziedzinach: zasilaczach telefonów komórkowych i laptopów, silnikach pojazdów, autonomicznych źródłach zasilania budynków, czy elektrowniach stacjonarnych. Część z tych urządzeń pełni funkcję prototypów laboratoryjnych, inne natomiast służą celom demonstracyjnym lub przechodzą testy przedprodukcyjne. Jednak wiele modeli jest już wykorzystywanych w projektach komercyjnych i jest produkowanych masowo.

Urządzenie

Ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, które mogą zapewnić wysoki współczynnik konwersji istniejącej energii chemicznej na energię elektryczną.

Urządzenie z ogniwem paliwowym składa się z trzech głównych części:

1. Sekcja wytwarzania energii;
2. PROCESOR;
3. Transformator napięcia.

Główną częścią ogniwa paliwowego jest sekcja wytwarzania energii, czyli bateria zbudowana z pojedynczych ogniw paliwowych. Katalizator platynowy jest zawarty w strukturze elektrod ogniwa paliwowego. Za pomocą tych ogniw wytwarzany jest stały prąd elektryczny.

Jedno z tych urządzeń ma następującą charakterystykę: przy napięciu 155 woltów wytwarzane jest 1400 amperów. Wymiary baterii wynoszą 0,9 m szerokości i wysokości oraz 2,9 m długości. Proces elektrochemiczny odbywa się w nim w temperaturze 177°C, co wymaga nagrzania akumulatora w momencie rozruchu, a także odprowadzenia ciepła w trakcie jego pracy. W tym celu w ogniwie paliwowym uwzględniono oddzielny obieg wodny, a akumulator wyposażono w specjalne płyty chłodzące.

Proces paliwowy przekształca gaz ziemny w wodór, który jest niezbędny do reakcji elektrochemicznej. Głównym elementem procesora paliwa jest reformer. W nim gaz ziemny (lub inne paliwo zawierające wodór) oddziałuje pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą (około 900 ° C) z parą wodną pod działaniem katalizatora niklowego.

Aby utrzymać wymaganą temperaturę reformera, zastosowano palnik. Z kondensatu wytwarzana jest para potrzebna do reformingu. W akumulatorze ogniw paliwowych generowany jest niestabilny prąd stały, którego konwersja odbywa się za pomocą przetwornicy napięcia.

W bloku przetwornicy napięcia znajdują się również:

• Urządzenia sterujące.
• Obwody blokady bezpieczeństwa, które wyłączają ogniwo paliwowe w przypadku różnych usterek.

Zasada działania

Najprostsze ogniwo z membraną do wymiany protonów składa się z membrany polimerowej umieszczonej pomiędzy anodą i katodą, a także katody i katalizatorów anodowych. Jako elektrolit stosuje się membranę polimerową.

• Membrana do wymiany protonów wygląda jak cienki, stały związek organiczny o małej grubości. Membrana ta pełni funkcję elektrolitu, w obecności wody rozdziela substancję na jony naładowane ujemnie i dodatnio.
• Utlenianie rozpoczyna się na anodzie, a redukcja następuje na katodzie. Katoda i anoda w ogniwie PEM wykonane są z porowatego materiału, będącego mieszaniną cząstek platyny i węgla. Platyna działa jak katalizator, który sprzyja reakcji dysocjacji. Katoda i anoda są porowate, dzięki czemu tlen i wodór swobodnie przez nie przepływają.
• Anoda i katoda znajdują się pomiędzy dwiema metalowymi płytkami, dostarczają tlen i wodór do katody i anody oraz usuwają energię elektryczną, ciepło i wodę.
• Przez kanały w płycie cząsteczki wodoru przedostają się do anody, gdzie cząsteczki rozkładają się na atomy.
• W wyniku chemisorpcji pod wpływem katalizatora atomy wodoru ulegają przemianie w dodatnio naładowane jony wodoru H+, czyli protony.
• Protony dyfundują do katody przez membranę, a strumień elektronów trafia do katody poprzez specjalny zewnętrzny obwód elektryczny. Jest do niego podłączone obciążenie, czyli odbiornik energii elektrycznej.
• Tlen dostarczany do katody po naświetleniu wchodzi w reakcję chemiczną z elektronami z zewnętrznego obwodu elektrycznego i jonami wodoru z membrany wymiany protonów. W wyniku tej reakcji chemicznej pojawia się woda.

Reakcja chemiczna zachodząca w innych typach ogniw paliwowych (na przykład z kwaśnym elektrolitem w postaci kwasu ortofosforowego H3PO4) jest całkowicie identyczna z reakcją urządzenia z membraną do wymiany protonów.

Rodzaje

Obecnie znanych jest kilka rodzajów ogniw paliwowych, które różnią się składem zastosowanego elektrolitu:

• Ogniwa paliwowe na bazie kwasu ortofosforowego lub fosforowego (PAFC, ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym).
• Urządzenia z membraną do wymiany protonów (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC, ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem).
• Generatory elektrochemiczne na bazie stopionego węglanu (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Obecnie coraz powszechniejsze stają się generatory elektrochemiczne wykorzystujące technologię PAFC.

Aplikacja

Obecnie ogniwa paliwowe są wykorzystywane w promach kosmicznych, statkach kosmicznych wielokrotnego użytku. Wykorzystują jednostki o mocy 12 W. Wytwarzają całą energię elektryczną statku kosmicznego. Woda powstająca w wyniku reakcji elektrochemicznej wykorzystywana jest do picia, w tym do chłodzenia urządzeń.

Generatory elektrochemiczne wykorzystano także do zasilania radzieckiego statku kosmicznego wielokrotnego użytku Buran.

Ogniwa paliwowe są również wykorzystywane w sektorze cywilnym.

• Instalacje stacjonarne o mocy 5–250 kW i większej. Wykorzystywane są jako autonomiczne źródła ciepła i energii elektrycznej dla budynków przemysłowych, użyteczności publicznej i mieszkalnych, źródła zasilania awaryjnego i rezerwowego oraz źródła zasilania awaryjnego.
• Jednostki przenośne o mocy 1–50 kW. Są używane do satelity kosmiczne i statki. Tworzone są instancje dla wózków golfowych, wózków inwalidzkich, lodówek kolejowych i towarowych oraz znaków drogowych.
• Instalacje mobilne o mocy 25–150 kW. Zaczynają być stosowane na statkach wojskowych i łodziach podwodnych, w tym w samochodach i innych pojazdach. Prototypy stworzyli już tacy giganci motoryzacyjni jak Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford i inni.
• Mikrourządzenia o mocy 1–500 W. Znajdują zastosowanie w zaawansowanych komputerach przenośnych, laptopach, urządzeniach elektroniki użytkowej, telefonach komórkowych i nowoczesnych urządzeniach wojskowych.

Osobliwości

• Część energii powstałej w wyniku reakcji chemicznej w każdym ogniwie paliwowym jest uwalniana w postaci ciepła. Wymagane chłodzenie. W obwodzie zewnętrznym przepływ elektronów wytwarza prąd stały, który służy do wykonania pracy. Zatrzymanie ruchu jonów wodoru lub otwarcie obwodu zewnętrznego prowadzi do zatrzymania reakcji chemicznej.
• Ilość energii elektrycznej wytwarzanej przez ogniwa paliwowe zależy od ciśnienia gazu, temperatury, wymiarów geometrycznych i rodzaju ogniwa paliwowego. Aby zwiększyć ilość energii elektrycznej wytwarzanej w reakcji, ogniwa paliwowe można powiększyć, ale w praktyce stosuje się kilka ogniw, które łączy się w akumulatory.
• Proces chemiczny w niektórych typach ogniw paliwowych można odwrócić. Oznacza to, że gdy do elektrod przyłoży się różnicę potencjałów, woda może zostać rozłożona na tlen i wodór, które zostaną zebrane na porowatych elektrodach. Po włączeniu obciążenia takie ogniwo paliwowe będzie generować energię elektryczną.

Horyzont

Obecnie generatory elektrochemiczne wymagają dużych kosztów początkowych, aby mogły być wykorzystywane jako główne źródło energii. Wraz z wprowadzeniem bardziej stabilnych membran o wysokiej przewodności, wydajnych i tanich katalizatorów oraz alternatywnych źródeł wodoru, ogniwa paliwowe staną się bardzo atrakcyjne ekonomicznie i zostaną wdrożone wszędzie.

• Samochody będą napędzane ogniwami paliwowymi, nie będzie w ogóle silników spalinowych. Jako źródło energii wykorzystana zostanie woda lub wodór w stanie stałym. Tankowanie będzie proste i bezpieczne, a jazda przyjazna dla środowiska – wytwarzana będzie jedynie para wodna.
• Wszystkie budynki będą wyposażone we własne przenośne generatory prądu z ogniwami paliwowymi.
• Generatory elektrochemiczne zastąpią wszystkie baterie i zostaną zamontowane w każdym sprzęcie RTV i AGD.

Zalety i wady

Każdy typ ogniwa paliwowego ma swoje wady i zalety. Niektórzy wymagają paliwa wysokiej jakości, inni tak złożony projekt, wymagają wysokiej temperatury roboczej.

Ogólnie można zauważyć następujące zalety ogniw paliwowych:

• Bezpieczeństwo środowiska;
• generatory elektrochemiczne nie wymagają ponownego ładowania;
• generatory elektrochemiczne mogą wytwarzać energię w sposób ciągły, nie przejmują się warunkami zewnętrznymi;
• elastyczność skali i przenośność.

Wśród wad są:

• trudności techniczne w magazynowaniu i transporcie paliw;
• niedoskonałe elementy urządzenia: katalizatory, membrany i tak dalej.

Wsuwam złączkę węża wlewu do szyjki wlewu paliwa i obracam ją o pół obrotu, aby uszczelnić połączenie. Kliknięcie przełącznika - i migająca dioda na pompie benzynowej z ogromnym napisem h3 oznacza, że ​​rozpoczęło się tankowanie. Minuta - i zbiornik jest pełny, można jechać!

Eleganckie kontury nadwozia, wyjątkowo niskie zawieszenie i niskoprofilowe opony typu slick nadają pojazdowi prawdziwie wyścigowy charakter. Przez przezroczystą pokrywę widoczna jest skomplikowana sieć rurociągów i kabli. Widziałem już gdzieś podobne rozwiązanie... O tak, w Audi R8 silnik widać także przez tylną szybę. Ale w Audi jest to tradycyjna benzyna, a ten samochód jeździ na wodorze. Podobnie jak BMW Hydrogen 7, ale w przeciwieństwie do tego ostatniego, nie ma silnika spalinowego. Jedynymi ruchomymi częściami są przekładnia kierownicza i wirnik silnika elektrycznego. A energię do tego zapewnia ogniwo paliwowe. Samochód ten został wyprodukowany przez singapurską firmę Horizon Fuel Cell Technologies, specjalizującą się w rozwoju i produkcji ogniw paliwowych. W 2009 roku brytyjska firma Riversimple wprowadziła już na rynek miejski samochód wodorowy zasilany ogniwami paliwowymi Horizon Fuel Cell Technologies. Został opracowany we współpracy z uniwersytetami w Oksfordzie i Cranfield. Jednak Horizon H-racer 2.0 jest dziełem solowym.

Ogniwo paliwowe składa się z dwóch porowatych elektrod pokrytych warstwą katalizatora i oddzielonych membraną do wymiany protonów. Wodór na katalizatorze anodowym przekształca się w protony i elektrony, które przemieszczają się przez anodę i zewnętrzny obwód elektryczny do katody, gdzie wodór i tlen łączą się ponownie, tworząc wodę.

"Iść!" – w stylu Gagarina szturcha mnie łokciem Redaktor naczelny. Ale nie tak szybko: najpierw trzeba „rozgrzać” ogniwo paliwowe przy częściowym obciążeniu. Przełączam przełącznik w tryb „rozgrzewki” i czekam na wyznaczony czas. Następnie na wszelki wypadek uzupełniam zbiornik do pełna. A teraz jedziemy: samochód z gładko mruczącym silnikiem jedzie do przodu. Dynamika robi wrażenie, choć swoją drogą, czego innego można oczekiwać od samochodu elektrycznego – moment obrotowy jest stały przy każdej prędkości. Choć nie na długo – pełny zbiornik wodoru wystarcza zaledwie na kilka minut (Horizon obiecuje w najbliższej przyszłości wypuścić nową wersję, w której wodór nie jest magazynowany w postaci gazu pod ciśnieniem, lecz jest zatrzymywany przez porowaty materiał w adsorberze ). I szczerze mówiąc nie jest zbyt kontrolowany – na pilocie są tylko dwa przyciski. Ale w każdym razie szkoda, że ​​to tylko zabawka sterowana radiowo, która kosztowała nas 150 dolarów. Nie mielibyśmy nic przeciwko przejażdżce prawdziwym samochodem na ogniwa paliwowe. elektrownia.

Zbiornik, będący elastycznym gumowym pojemnikiem umieszczonym w sztywnej obudowie, rozciąga się podczas tankowania i działa jak pompa paliwowa, „wciskając” wodór do ogniwa paliwowego. Aby nie „przepełnić” zbiornika, jedną z końcówek łączy się plastikową rurką z awaryjnym zaworem bezpieczeństwa.

Stacja paliw

Zrób to sam

Maszyna Horizon H-racer 2.0 dostarczana jest w formie zestawu do montażu na dużą skalę (typu „zrób to sam”), można ją kupić np. na Amazonie. Jednak złożenie go nie jest trudne - wystarczy włożyć ogniwo paliwowe na miejsce i zabezpieczyć je śrubami, podłączyć węże do zbiornika wodoru, ogniwa paliwowego, króćca wlewu i zaworu awaryjnego, a pozostaje tylko założyć górną część nadwozie na swoim miejscu, nie zapominając o przednich i tylnych zderzakach. W zestawie znajduje się stacja paliw, która wytwarza wodór poprzez elektrolizę wody. Zasilany jest dwoma bateriami AA, a jeśli chcemy, aby energia była w pełni „czysta”, panelami słonecznymi (też są w zestawie).

www.popmech.ru

Jak zrobić ogniwo paliwowe własnymi rękami?

Oczywiście najprostszym rozwiązaniem problemu zapewnienia ciągłej pracy systemów bezpaliwowych jest zakup gotowego wtórnego źródła energii na zasadzie hydraulicznej lub innej, ale w tym przypadku z pewnością nie uda się uniknąć dodatkowych kosztów, a w tym procesie dość trudno jest uwzględnić jakikolwiek pomysł na lot twórczej myśli. Ponadto wykonanie ogniwa paliwowego własnymi rękami wcale nie jest tak trudne, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, a nawet najbardziej niedoświadczony rzemieślnik może w razie potrzeby poradzić sobie z tym zadaniem. Ponadto więcej niż przyjemnym bonusem będzie niski koszt stworzenia tego elementu, ponieważ pomimo wszystkich jego zalet i znaczenia, możesz absolutnie łatwo poradzić sobie ze środkami, które już masz pod ręką.

W takim przypadku jedynym niuansem, który należy wziąć pod uwagę przed wykonaniem zadania, jest to, że możesz własnoręcznie wykonać urządzenie o wyjątkowo małej mocy, a realizację bardziej zaawansowanych i skomplikowanych instalacji nadal należy pozostawić wykwalifikowanym specjalistom. Jeśli chodzi o kolejność prac i kolejność czynności, pierwszym krokiem jest skompletowanie korpusu, do czego najlepiej zastosować grubościenną plexi (co najmniej 5 centymetrów). Do sklejenia ścianek obudowy i montażu przegród wewnętrznych, do czego najlepiej zastosować cieńszą pleksi (wystarczą 3 milimetry), najlepiej użyć kleju dwukompozytowego, chociaż jeśli bardzo chcesz, możesz sam wykonać wysokiej jakości lutowanie, stosując następujące proporcje: na 100 gramów chloroformu - 6 gramów wiórów z tej samej pleksi.

W takim przypadku proces należy przeprowadzić wyłącznie pod maską. Aby wyposażyć obudowę w tzw. system spustowy, należy w jej przedniej ściance dokładnie wywiercić otwór przelotowy, którego średnica będzie dokładnie odpowiadać wymiarom gumowego korka, który pełni rolę swoistej uszczelki pomiędzy obudowę i szklaną rurkę spustową. Jeśli chodzi o rozmiar samej rury, idealnie jej szerokość powinna wynosić od pięciu do sześciu milimetrów, chociaż wszystko zależy od rodzaju projektowanej konstrukcji. Bardziej prawdopodobne jest stwierdzenie, że stara maska ​​gazowa wymieniona na liście elementów niezbędnych do wykonania ogniwa paliwowego wywoła pewne zdziwienie wśród potencjalnych czytelników tego artykułu. Tymczasem cała zaleta tego urządzenia polega na węglu aktywnym znajdującym się w komorach respiratora, który można później wykorzystać jako elektrody.

Ponieważ mówimy o pudrowej konsystencji, aby ulepszyć projekt, będziesz potrzebować nylonowych pończoch, z których możesz łatwo zrobić torbę i włożyć do niej węgiel, w przeciwnym razie po prostu wyleje się z dziury. Jeśli chodzi o funkcję dystrybucji, stężenie paliwa następuje w pierwszej komorze, podczas gdy tlen niezbędny do normalnego funkcjonowania ogniwa paliwowego, wręcz przeciwnie, będzie krążył w ostatniej, piątej komorze. Sam elektrolit znajdujący się pomiędzy elektrodami należy namoczyć w specjalnym roztworze (benzyna z parafiną w proporcji 125 do 2 mililitrów) i należy to zrobić przed umieszczeniem elektrolitu powietrznego w czwartej komorze. Aby zapewnić odpowiednią przewodność, na węglu układane są miedziane płytki z wstępnie przylutowanymi drutami, przez które z elektrod będzie przesyłany prąd.

Ten etap projektowania można bezpiecznie uznać za etap końcowy, po którym ładowane jest gotowe urządzenie, do którego potrzebny będzie elektrolit. Aby go przygotować, należy wymieszać równe części alkohol etylowy wodą destylowaną i zacznij stopniowo wprowadzać żrący potas w ilości 70 gramów na szklankę płynu. Pierwsza próba wyprodukowanego urządzenia polega na jednoczesnym napełnieniu pierwszego (płyn paliwowy) i trzeciego (elektrolit na bazie alkoholu etylowego i żrącego potasu) pojemnika obudowy z plexi.

uznay-kak.ru

Wodorowe ogniwa paliwowe | LAVENT

Już od dawna chciałem opowiedzieć Wam o innym kierunku rozwoju firmy Alfaintek. Jest to rozwój, sprzedaż i serwis wodorowych ogniw paliwowych. Chciałbym od razu wyjaśnić sytuację z tymi ogniwami paliwowymi w Rosji.

Ze względu na dość wysoki koszt i całkowity brak stacji wodorowych do ładowania tych ogniw paliwowych, nie przewiduje się ich sprzedaży w Rosji. Niemniej jednak w Europie, zwłaszcza w Finlandii, ogniwa paliwowe z roku na rok zyskują na popularności. Jaki jest sekret? Przyjrzyjmy się. Urządzenie jest przyjazne dla środowiska, łatwe w obsłudze i skuteczne. Przychodzi z pomocą osobie, która potrzebuje energii elektrycznej. Możesz go zabrać ze sobą w podróż, na wycieczkę lub wykorzystać w wiejskim domu lub mieszkaniu jako autonomiczne źródło prądu.

Energia elektryczna w ogniwie paliwowym wytwarzana jest w wyniku reakcji chemicznej wodoru ze zbiornika z wodorkiem metalu i tlenem z powietrza. Butla nie jest wybuchowa i można ją przechowywać w szafie latami, czekając na rozwinięcie. Jest to być może jedna z głównych zalet tej technologii magazynowania wodoru. To właśnie magazynowanie wodoru jest jednym z głównych problemów rozwoju paliwa wodorowego. Unikalne, nowe, lekkie ogniwa paliwowe, które bezpiecznie, cicho i bezemisyjnie przekształcają wodór w konwencjonalną energię elektryczną.

Ten rodzaj energii elektrycznej można wykorzystać w miejscach, w których nie ma centralnego prądu, lub jako awaryjne źródło zasilania.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów, które podczas ładowania wymagają ładowania i odłączania od odbiornika elektrycznego, ogniwo paliwowe działa jak „inteligentne” urządzenie. Technologia ta zapewnia nieprzerwane zasilanie przez cały okres użytkowania dzięki unikalnej funkcji oszczędzania energii przy zmianie zbiornika paliwa, która pozwala użytkownikowi nigdy nie wyłączać odbiornika. W zamkniętej obudowie ogniwa paliwowe można przechowywać nawet kilka lat bez utraty objętości wodoru i zmniejszenia ich mocy.

Ogniwo paliwowe przeznaczone jest dla naukowców i badaczy, organów ścigania, ratowników, właścicieli statków i marin oraz wszystkich innych osób, które potrzebują wiarygodne źródłożywność w nagłych przypadkach. Możesz uzyskać napięcie 12 lub 220 woltów i wtedy będziesz miał dość energii, aby uruchomić telewizor, sprzęt stereo, lodówkę, ekspres do kawy, czajnik, odkurzacz, wiertarkę, kuchenkę mikrofalową i inne urządzenia elektryczne.

Ogniwa paliwowe Hydrocell mogą być sprzedawane pojedynczo lub w bateriach zawierających 2-4 ogniwa. Można połączyć dwa lub cztery elementy, aby zwiększyć moc lub natężenie prądu.

CZAS PRACY URZĄDZEŃ AGD Z Ogniwami PALIWOWYMI

	Urządzenia elektryczne	Czas pracy dziennie (min.)	Wymagany moc na dzień (Wh)	Czas pracy z ogniwami paliwowymi
	Czajnik elektryczny
	Ekspres do kawy
	Mikropłyta
	telewizja
	1 żarówka o mocy 60W
	1 żarówka 75W
	3 żarówki 60W
	Komputerowy laptop
	Lodówka
	Lampa energooszczędna

* - praca ciągła

Ogniwa paliwowe są w pełni ładowane na specjalnych stacjach wodorowych. Co jednak w sytuacji, gdy podróżujesz daleko od nich i nie masz możliwości doładowania? Specjalnie na takie przypadki specjaliści Alfaintek opracowali butle do magazynowania wodoru, dzięki którym ogniwa paliwowe będą pracować znacznie dłużej.

Dostępne są dwa typy butli: NS-MN200 i NS-MN1200 Zmontowana NS-MN200 jest nieco większa od puszki Coca-Coli, mieści 230 litrów wodoru, co odpowiada 40Ah (12V) i waży zaledwie 2,5 kg .Butla z wodorkiem metalu NS-MH1200 mieści 1200 litrów wodoru, co odpowiada 220Ah (12V). Waga cylindra wynosi 11 kg.

Technika wodorków metali to bezpieczny i łatwy sposób przechowywania, transportu i wykorzystania wodoru. Wodór przechowywany w postaci wodorku metalu występuje w postaci związek chemiczny i nie w postaci gazowej. Ta metoda pozwala uzyskać odpowiednio dużą gęstość energii. Zaletą stosowania wodorku metalu jest to, że ciśnienie wewnątrz butli wynosi tylko 2-4 bary.Butla nie jest wybuchowa i można ją przechowywać latami bez zmniejszania objętości substancji. Ponieważ wodór jest magazynowany w postaci wodorku metalu, czystość wodoru uzyskiwanego z butli jest bardzo wysoka i wynosi 99,999%. Butle do przechowywania wodoru z wodorkiem metalu można stosować nie tylko w ogniwach paliwowych HC 100,200,400, ale także w innych przypadkach, gdzie potrzebny jest czysty wodór. Butle można łatwo podłączyć do ogniwa paliwowego lub innego urządzenia za pomocą szybkozłącza i elastycznego węża.

Szkoda, że ​​te ogniwa paliwowe nie są sprzedawane w Rosji. Ale wśród naszej populacji jest tak wielu ludzi, którzy ich potrzebują. Cóż, poczekamy i zobaczymy, a zobaczysz, będziemy mieć trochę. W międzyczasie będziemy kupować narzucone przez państwo żarówki energooszczędne.

P.S. Wygląda na to, że temat wreszcie odszedł w zapomnienie. Tyle lat od napisania tego artykułu nic z niego nie wyszło. Może nie szukam oczywiście wszędzie, ale to, co rzuca mi się w oczy, wcale nie jest przyjemne. Technologia i pomysł są dobre, ale nie znalazły jeszcze żadnego rozwoju.

lavent.ru

Ogniwa paliwowe to przyszłość, która zaczyna się dzisiaj!

Początek XXI wieku uznaje ekologię za jedno z najważniejszych wyzwań światowych. A pierwszą rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę w obecnych warunkach, jest poszukiwanie i wykorzystanie alternatywnych źródeł energii. To oni są w stanie zapobiec zanieczyszczeniu naszego środowiska, a także całkowicie porzucić stale rosnące ceny paliw na bazie węglowodorów.

Już dziś zastosowanie znalazły źródła energii, takie jak ogniwa słoneczne i turbiny wiatrowe. Ale niestety ich wada wiąże się z zależnością od pogody, a także od pory roku i pory dnia. Z tego powodu stopniowo odchodzi się od ich stosowania w astronautyce, przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, a do użytku stacjonarnego wyposaża się je w wtórne źródła zasilania – akumulatory.

Najlepszym rozwiązaniem jest jednak ogniwo paliwowe, gdyż nie wymaga ono ciągłego doładowania energią. Jest to urządzenie, które potrafi przetwarzać i przetwarzać różnego rodzaju paliwa (benzyna, alkohol, wodór itp.) bezpośrednio w energię elektryczną.

Ogniwo paliwowe działa na zasadzie: z zewnątrz dostarczane jest paliwo, które jest utleniane przez tlen, a uwolniona energia zamieniana jest na energię elektryczną. Ta zasada działania zapewnia niemal wieczną pracę.

Od końca XIX wieku naukowcy badali samo ogniwo paliwowe i stale opracowywali nowe jego modyfikacje. Tak więc dzisiaj, w zależności od warunków pracy, istnieją modele alkaliczne lub zasadowe (AFC), borohydrat bezpośredni (DBFC), elektrogalwaniczny (EGFC), bezpośredni metanol (DMFC), cynkowo-powietrzny (ZAFC), mikrobiologiczny (MFC), modele NA kwas mrówkowy(DFAFC) i wodorki metali (MHFC).

Jednym z najbardziej obiecujących jest wodorowe ogniwo paliwowe. Wykorzystywaniu wodoru w elektrowniach towarzyszy znaczne uwolnienie energii, a spalinami z takiego urządzenia jest czysta para wodna lub woda pitna które nie stwarzają zagrożenia dla środowiska.

Pomyślne testy tego typu ogniw paliwowych na statkach kosmicznych wzbudziły ostatnio duże zainteresowanie wśród producentów elektroniki i różnego rodzaju sprzętu. Tym samym firma PolyFuel zaprezentowała miniaturowe wodorowe ogniwo paliwowe do laptopów. Jednak zbyt wysoki koszt takiego urządzenia i trudności w swobodnym tankowaniu ograniczają jego produkcję przemysłową i szeroką dystrybucję. Od ponad 10 lat Honda produkuje także ogniwa paliwowe do samochodów. Jednak ten rodzaj transportu nie trafia do sprzedaży, a jedynie do użytku służbowego pracowników firmy. Samochody są pod nadzorem inżynierów.

Wiele osób zastanawia się, czy możliwe jest złożenie ogniwa paliwowego własnymi rękami. Przecież znaczącą zaletą domowego urządzenia będzie niewielka inwestycja, w przeciwieństwie do modelu przemysłowego. Do wykonania miniaturowego modelu potrzebne będzie 30 cm drutu niklowego pokrytego platyną, mały kawałek plastiku lub drewna, zacisk baterii 9 V i sama bateria, przezroczysta taśma klejąca, szklanka wody i woltomierz. Takie urządzenie pozwoli zobaczyć i zrozumieć istotę pracy, ale oczywiście nie będzie możliwe wygenerowanie prądu dla samochodu.

fb.ru

Wodorowe ogniwa paliwowe: trochę historii | Wodór

Obecnie problem niedoboru tradycyjnych surowców energetycznych i pogarszania się ekologii całej planety w wyniku ich wykorzystania jest szczególnie dotkliwy. Dlatego też w ostatnim czasie znaczne środki finansowe i intelektualne poświęcono na rozwój potencjalnie obiecujących zamienników paliw węglowodorowych. Wodór może stać się takim substytutem w najbliższej przyszłości, gdyż jego zastosowaniu w elektrowniach towarzyszy wyzwolenie dużej ilości energii, a spalinami jest para wodna, czyli nie stwarzająca zagrożenia dla środowiska.

Pomimo pewnych trudności technicznych, które nadal występują we wdrażaniu wodorowych ogniw paliwowych, wielu producentów samochodów doceniło możliwości tej technologii i już aktywnie opracowuje prototypy samochodów produkcyjnych, które będą mogły wykorzystywać wodór jako główne paliwo. Już w dwa tysiące jedenaście Daimler AG zaprezentował koncepcyjne modele Mercedes-Benz z elektrowniami wodorowymi. Ponadto koreańska firma Hyndayi oficjalnie ogłosiła, że ​​nie zamierza już rozwijać samochodów elektrycznych, ale skoncentruje wszystkie swoje wysiłki na opracowaniu niedrogiego samochodu wodorowego.

Pomimo tego, że dla wielu sam pomysł wykorzystania wodoru jako paliwa nie jest szalony, większość nie ma pojęcia, jak działają ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór i co jest w nich takiego niezwykłego.

Aby zrozumieć znaczenie tej technologii, sugerujemy przyjrzeć się historii wodorowych ogniw paliwowych.

Pierwszą osobą, która opisała możliwości wykorzystania wodoru w ogniwie paliwowym, był Niemiec Christian Friedrich. Już w 1838 roku opublikował swoją pracę w słynnym wówczas czasopiśmie naukowym.

Już w następnym roku sędzia z Uhls, Sir William Robert Grove, stworzył prototyp działającego akumulatora wodorowego. Jednak moc urządzenia była zbyt mała nawet jak na ówczesne standardy, więc o jego praktycznym zastosowaniu nie było mowy.

Termin „ogniwo paliwowe” zawdzięcza swoje istnienie naukowcom Ludwigowi Mondowi i Charlesowi Langerowi, którzy w 1889 roku podjęli próbę stworzenia ogniwa paliwowego działającego na powietrzu i gazie koksowniczym. Według innych źródeł terminu tego po raz pierwszy użył William White Jaques, który jako pierwszy zdecydował się na użycie kwasu fosforowego w elektrolicie.

W latach dwudziestych XX wieku przeprowadzono w Niemczech szereg badań, których efektem było odkrycie ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem i sposobów wykorzystania obiegu węglanowego. Warto zauważyć, że technologie te są skutecznie wykorzystywane w naszych czasach.

W 1932 roku inżynier Francis T. Bacon rozpoczął prace nad bezpośrednimi badaniami nad ogniwami paliwowymi na bazie wodoru. Przed nim naukowcy stosowali ustalony schemat - umieszczano w nim porowate elektrody platynowe Kwas Siarkowy. Oczywistą wadą takiego programu jest przede wszystkim jego nieuzasadniony wysoki koszt wynikający z zastosowania platyny. Ponadto stosowanie żrącego kwasu siarkowego stwarzało zagrożenie dla zdrowia, a czasami nawet życia badaczy. Bacon zdecydował się zoptymalizować obwód i zastąpił platynę niklem, a jako elektrolit zastosował skład alkaliczny.

Dzięki produktywnej pracy nad udoskonaleniem swojej technologii Bacon już w 1959 roku zaprezentował społeczeństwu swoje oryginalne wodorowe ogniwo paliwowe, które wytwarzało moc 5 kW i mogło zasilać spawarkę. Prezentowane urządzenie nazwał „Bacon Cell”.

W październiku tego samego roku powstał wyjątkowy traktor napędzany wodorem i wytwarzający dwadzieścia koni mechanicznych.

W latach sześćdziesiątych XX wieku amerykańska firma General Electric opracowała schemat opracowany przez Bacona i zastosowała go w programach kosmicznych Apollo i NASA Gemini. Eksperci z NASA doszli do wniosku, że wykorzystanie reaktora jądrowego jest zbyt kosztowne, trudne technicznie i niebezpieczne. Dodatkowo musieliśmy zrezygnować ze stosowania akumulatorów razem z panelami fotowoltaicznymi ze względu na ich duże wymiary. Rozwiązaniem problemu były wodorowe ogniwa paliwowe, które są w stanie zaopatrywać statek kosmiczny w energię, a jego załogę w czystą wodę.

Pierwszy autobus wykorzystujący wodór jako paliwo powstał w 1993 roku. Natomiast prototypy samochodów osobowych napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi zaprezentowały już w 1997 roku takie światowe marki samochodowe jak Toyota i Daimler Benz.

To trochę dziwne, że obiecujące, przyjazne dla środowiska paliwo, sprzedawane piętnaście lat temu w samochodzie, nie stało się jeszcze powszechne. Powodów jest wiele, być może najważniejsze są polityczne i żądania stworzenia odpowiedniej infrastruktury. Miejmy nadzieję, że wodór nadal będzie miał swoje zdanie i stanie się znaczącym konkurentem samochodów elektrycznych.(odnaknopka)

Energycraft.org

Utworzono 14.07.2012 20:44 Autor: Alexey Norkin

Nasze materialne społeczeństwo bez energii nie może nie tylko się rozwijać, ale nawet w ogóle istnieć. Skąd pochodzi energia? Do niedawna ludzie zdobywali go tylko w jeden sposób: walczyliśmy z naturą, spalając zdobyte trofea w piecach najpierw domowych palenisk, później lokomotyw parowych i potężnych elektrowniach cieplnych.

Nie ma żadnych etykiet na temat kilowatogodzin zużywanych przez współczesnego przeciętnego człowieka, które wskazywałyby, ile lat natura pracowała, aby cywilizowany człowiek mógł korzystać z dobrodziejstw technologii, i ile lat musi jeszcze przepracować, aby wygładzić szkody wyrządzone ją przez taką cywilizację. W społeczeństwie rośnie jednak przekonanie, że prędzej czy później iluzoryczna idylla się skończy. Coraz częściej ludzie wymyślają sposoby dostarczania energii na swoje potrzeby przy minimalnych szkodach dla przyrody.

Wodorowe ogniwa paliwowe to Święty Graal czystej energii. Przetwarzają wodór, jeden z powszechnych pierwiastków układ okresowy i uwalniają tylko wodę, najpowszechniejszą substancję na planecie. Różowy obraz psuje brak dostępu ludzi do wodoru jako substancji. Jest go dużo, ale tylko w stanie związanym, a wydobycie jest znacznie trudniejsze niż wypompowywanie ropy z głębin czy wydobywanie węgla.

Jedną z możliwości czystej i przyjaznej dla środowiska produkcji wodoru są mikrobiologiczne ogniwa paliwowe (MTB), które wykorzystują mikroorganizmy do rozkładu wody na tlen i wodór. Tutaj też nie wszystko jest gładkie. Mikroby doskonale radzą sobie z produkcją czystego paliwa, jednak aby osiągnąć wymaganą w praktyce wydajność, MTB potrzebuje katalizatora, który przyspiesza jedną z reakcji chemicznych procesu.

Katalizatorem tym jest platyna, metal szlachetny, którego koszt sprawia, że ​​użytkowanie MTB jest ekonomicznie nieuzasadnione i praktycznie niemożliwe.

Naukowcy z Uniwersytetu Wisconsin-Milwaukee znaleźli zamiennik dla drogiego katalizatora. Zamiast platyny zaproponowali zastosowanie tanich nanoprętów wykonanych z połączenia węgla, azotu i żelaza. Nowy katalizator składa się z prętów grafitowych z osadzonym w warstwie wierzchniej azotem oraz rdzeni z węglika żelaza. W ciągu trzech miesięcy testów nowego produktu katalizator wykazał możliwości wyższe od platyny. Działanie nanoprętów okazało się bardziej stabilne i kontrolowalne.

A co najważniejsze, pomysł naukowców uniwersyteckich jest znacznie tańszy. Zatem koszt katalizatorów platynowych stanowi około 60% kosztu MTB, podczas gdy koszt nanoprętów mieści się w granicach 5% ich aktualnej ceny.

Zdaniem twórcy nanoprętów katalitycznych, profesora Junhonga Chena: „Ogniwa paliwowe są w stanie bezpośrednio przekształcać paliwo w energię elektryczną. Wspólnie energia elektryczna ze źródeł odnawialnych może być dostarczana tam, gdzie jest potrzebna, w czysty, wydajny i zrównoważony sposób”.

Profesor Chen i jego zespół badaczy badają obecnie dokładne właściwości katalizatora. Ich celem jest nadanie wynalazkowi praktycznego punktu widzenia, aby nadawał się do masowej produkcji i użytku.

Na podstawie materiałów z Gizmagu

www.facepla.net

Wodorowe ogniwa paliwowe i systemy energetyczne

Samochód napędzany wodą już wkrótce może stać się rzeczywistością, a w wielu domach zagoszczą wodorowe ogniwa paliwowe…

Technologia wodorowych ogniw paliwowych nie jest nowa. Zaczęło się w 1776 roku, kiedy Henry Cavendish po raz pierwszy odkrył wodór podczas rozpuszczania metali w rozcieńczonych kwasach. Pierwsze wodorowe ogniwo paliwowe zostało wynalezione już w 1839 roku przez Williama Grove’a. Od tego czasu wodorowe ogniwa paliwowe były stopniowo udoskonalane i obecnie instalowane są w promach kosmicznych, dostarczając im energię i służąc jako źródło wody. Obecnie technologia wodorowych ogniw paliwowych jest bliska wprowadzenia na rynek masowy, do samochodów, domów i urządzeń przenośnych.

W wodorowym ogniwie paliwowym energia chemiczna (w postaci wodoru i tlenu) jest przekształcana bezpośrednio (bez spalania) w energię elektryczną. Ogniwo paliwowe składa się z katody, elektrod i anody. Wodór doprowadzany jest do anody, gdzie zostaje rozdzielony na protony i elektrony. Protony i elektrony wędrują różnymi drogami do katody. Protony przemieszczają się przez elektrodę do katody, a elektrony krążą wokół ogniw paliwowych, aby dostać się do katody. Ruch ten wytwarza później użyteczną energię elektryczną. Z drugiej strony protony i elektrony wodoru łączą się z tlenem, tworząc wodę.

Elektrolizery to jeden ze sposobów ekstrakcji wodoru z wody. Proces ten jest zasadniczo odwrotny do tego, co dzieje się w przypadku wodorowego ogniwa paliwowego. Elektrolizer składa się z anody, ogniwa elektrochemicznego i katody. Do anody przykładana jest woda i napięcie, które rozkładają wodę na wodór i tlen. Wodór przepływa przez ogniwo elektrochemiczne do katody, a tlen jest dostarczany bezpośrednio do katody. Stamtąd można ekstrahować i przechowywać wodór i tlen. W okresach, gdy nie jest wymagana produkcja energii elektrycznej, nagromadzony gaz można usunąć z magazynu i zawrócić przez ogniwo paliwowe.

System ten jako paliwo wykorzystuje wodór i pewnie dlatego narosło wiele mitów na temat jego bezpieczeństwa. Po eksplozji Hindenburga wiele osób oddalonych od nauki, a nawet część naukowców, zaczęło wierzyć, że wykorzystanie wodoru jest bardzo niebezpieczne. Jednak ostatnie badania wykazały, że przyczyną tej tragedii był rodzaj materiału użytego do budowy, a nie wpompowany do środka wodór. Po przetestowaniu bezpieczeństwa magazynowania wodoru stwierdzono, że magazynowanie wodoru w ogniwach paliwowych jest bezpieczniejsze niż przechowywanie benzyny w zbiorniku paliwa samochodu.

Ile kosztują nowoczesne wodorowe ogniwa paliwowe? Firmy oferują obecnie systemy paliwa wodorowego, które wytwarzają energię za około 3000 dolarów za kilowat. Badania marketingowe wykazały, że gdy koszt spadnie do 1500 dolarów za kilowat, konsumenci na masowym rynku energii będą gotowi przejść na ten rodzaj paliwa.

Pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi są nadal droższe niż pojazdy z silnikiem spalinowym, ale producenci szukają sposobów na podniesienie ceny do porównywalnego poziomu. W niektórych odległych rejonach, gdzie nie ma linii energetycznych, wykorzystanie wodoru jako paliwa lub samodzielne zasilanie domu może być obecnie bardziej ekonomiczne niż np. budowa infrastruktury pod tradycyjne źródła energii.

Dlaczego wodorowe ogniwa paliwowe wciąż nie są powszechnie stosowane? Obecnie głównym problemem upowszechnienia wodorowych ogniw paliwowych jest ich wysoki koszt. Na układy paliw wodorowych po prostu nie ma obecnie masowego zapotrzebowania. Nauka jednak nie stoi w miejscu i już w niedalekiej przyszłości samochód napędzany wodą może stać się rzeczywistością.

www.tesla-tehnika.biz

W świetle ostatnie wydarzenie, związanym z przegrzaniem, pożarami, a nawet eksplozjami laptopów na skutek stosowania akumulatorów litowo-jonowych, nie sposób nie wspomnieć o nowych, alternatywnych technologiach, które zdaniem większości ekspertów będą w przyszłości w stanie uzupełnić lub zastąpić dzisiejsze tradycyjne baterie. Mówimy o nowych źródłach zasilania – ogniwach paliwowych.

Według empirycznego prawa sformułowanego 40 lat temu przez jednego z założycieli Intela, Gordona Moore'a, wydajność procesora podwaja się co 18 miesięcy. Baterie nie nadążają za chipami. Według ekspertów ich wydajność wzrasta tylko o 10% rocznie.

Ogniwo paliwowe działa w oparciu o membranę komórkową (porowatą), która oddziela przestrzeń anodową i katodową ogniwa paliwowego. Membrana ta jest pokryta z obu stron odpowiednimi katalizatorami. Do anody dostarczane jest paliwo, w tym przypadku stosuje się roztwór metanolu (alkohol metylowy). W wyniku reakcji chemicznej rozkładu paliwa powstają wolne ładunki, które przedostają się przez membranę do katody. Obwód elektryczny zostaje w ten sposób zamknięty i powstaje w nim prąd elektryczny, który zasila urządzenie. Ten typ ogniwa paliwowego nazywany jest ogniwem paliwowym z bezpośrednim metanolem (DMFC). Rozwój ogniw paliwowych rozpoczął się dawno temu, jednak pierwsze wyniki, które dały podstawę do mówienia o realnej konkurencji z akumulatorami litowo-jonowymi, uzyskano dopiero w ostatnich dwóch latach.

W 2004 roku na rynku było około 35 producentów tego typu urządzeń, jednak tylko kilka firm mogło zadeklarować znaczący sukces w tym obszarze. W styczniu Fujitsu zaprezentowało swoje opracowanie – bateria miała grubość 15 mm i zawierała 300 mg 30-procentowego roztworu metanolu. Moc 15 W pozwalała na zasilanie laptopa przez 8 godzin. Miesiąc później niewielka firma PolyFuel jako pierwsza ogłosiła uruchomienie komercyjnej produkcji samych membran, które powinny być wyposażone w zasilacze paliwowe. Już w marcu Toshiba zademonstrowała prototyp mobilnego komputera PC zasilanego paliwem. Producent stwierdził, że taki laptop może wytrzymać pięciokrotnie dłużej niż laptop korzystający z tradycyjnej baterii.

W 2005 roku firma LG Chem ogłosiła utworzenie własnego ogniwa paliwowego. Na jego rozwój wydano około 5 lat i 5 miliardów dolarów. W efekcie udało się stworzyć urządzenie o mocy 25 W i wadze 1 kg, podłączane do laptopa poprzez interfejs USB i zapewniające jego pracę przez 10 godzin. Ten rok 2006 również charakteryzował się wieloma interesującymi wydarzeniami. W szczególności amerykańscy programiści z firmy Ultracell zademonstrowali ogniwo paliwowe zapewniające moc 25 W i wyposażone w trzy wymienne wkłady zawierające 67% metanolu. Jest w stanie zasilić laptopa przez 24 godziny. Waga baterii wynosiła około kilograma, każdy nabój ważył około 260 gramów.

Oprócz tego, że są w stanie zapewnić większą pojemność niż akumulatory litowo-jonowe, akumulatory metanolowe nie są wybuchowe. Wady obejmują ich dość wysoki koszt i konieczność okresowej wymiany wkładów metanolowych.

Nawet jeśli akumulatory paliwowe nie zastąpią tradycyjnych, najprawdopodobniej będą używane w połączeniu z nimi. Według ekspertów wartość rynku ogniw paliwowych w 2006 roku wyniesie około 600 milionów dolarów, co jest dość skromną kwotą. Jednak do 2010 roku eksperci przewidują jego trzykrotny wzrost – do 1,9 miliarda dolarów.

Dyskusja nad artykułem „Baterie alkoholowe zastępują litowe”

zemoneng

Kurczę, informację o tym urządzeniu znalazłam w czasopiśmie kobiecym.
Cóż, powiem kilka słów na ten temat:
1: niedogodność polega na tym, że po 6-10 godzinach pracy trzeba będzie szukać nowego wkładu, co jest drogie. Po co mam wydawać pieniądze na te bzdury?
2: o ile rozumiem, po otrzymaniu energii z alkoholu metylowego powinna zostać uwolniona woda. Laptop i woda to rzeczy niekompatybilne.
3: dlaczego piszesz w magazynach dla kobiet? Sądząc po komentarzach „nic nie wiem” i „co to jest?”, ten artykuł nie jest na poziomie strony poświęconej PIĘKNOM.

Wodorowe ogniwa paliwowe przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną, omijając nieefektywne procesy spalania i zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną, które wiążą się z dużymi stratami. Wodorowe ogniwo paliwowe – tak elektrochemiczny Urządzenie bezpośrednio wytwarza energię elektryczną w wyniku wysokoefektywnego „zimnego” spalania paliwa. Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów wodorowo-powietrznych (PEMFC) to jedna z najbardziej obiecujących technologii ogniw paliwowych.

Osiem lat temu w Zachodnia Europa otwarto sześć pomp na płynny olej napędowy; musi ich być dwieście przed końcem. Daleko nam do tysięcy terminali szybkiego ładowania, które wylęgają się wszędzie, aby zachęcić do upowszechnienia napędu elektrycznego. I tu właśnie boli pocieranie. I lepiej ogłosimy grafen.

Baterie nie powiedziały jeszcze ostatniego słowa

To coś więcej niż tylko autonomia, dlatego ograniczenie czasu ładowania spowalnia wdrażanie pojazdów elektrycznych. Przypomniał jednak w notatce skierowanej w tym miesiącu do swoich klientów, że akumulatory mają ograniczenia, ograniczające się do tego typu sond przy bardzo wysokich napięciach. Thomas Brachman dowie się, że należy jeszcze zbudować sieć dystrybucji wodoru. Argumentem jest to, że zaciera rękę, przypominając, że mnożenie terminali szybkiego ładowania jest również bardzo kosztowne, ze względu na duży przekrój miedzianych kabli wysokiego napięcia. „Łatwiej i taniej jest transportować skroplony wodór ciężarówkami z zakopanych zbiorników w pobliżu zakładów produkcyjnych”.

Przewodząca protony membrana polimerowa oddziela dwie elektrody – anodę i katodę. Każda elektroda jest płytką węglową (matrycą) pokrytą katalizatorem. Na katalizatorze anodowym wodór cząsteczkowy dysocjuje i oddaje elektrony. Kationy wodoru są prowadzone przez membranę do katody, ale elektrony są oddawane do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie pozwala na przejście elektronów.

Wodór nie jest jeszcze czystym wektorem elektryczności

Jeśli chodzi o koszt samego akumulatora, który jest bardzo delikatną informacją, Thomas Brachmann nie ma wątpliwości, że można go znacznie obniżyć wraz ze wzrostem wydajności. „Platyna to pierwiastek, który kosztuje więcej”. Niestety prawie cały wodór pochodzi z kopalnych źródeł energii. Co więcej, diwodór jest tylko wektorem energii, a nie źródłem, z którego niemała część jest zużywana podczas jego produkcji, upłynniania, a następnie konwersji na energię elektryczną.

Na katalizatorze katodowym cząsteczka tlenu łączy się z elektronem (dostarczanym z obwodu elektrycznego) i przychodzącym protonem i tworzy wodę, która jest jedynym produktem reakcji (w postaci pary i/lub cieczy).

Zespoły membranowo-elektrodowe, będące kluczowym elementem wytwórczym systemu energetycznego, zbudowane są z wodorowych ogniw paliwowych.

Samochód przyszłości zachowuje się jak prawdziwy

Bilans akumulatora jest około trzykrotnie większy, pomimo strat spowodowanych ciepłem kierowców. Niestety, cudowny samochód nie pojawi się na naszych drogach, chyba że w ramach publicznych demonstracji. Brachmanna, który przypomina, że ​​naturalna cisza samochodu elektrycznego potęguje wrażenie życia w hałaśliwym świecie. Pomimo wszystkich trudności pedał kierownicy i hamulca zapewniają naturalną konsystencję.

Miniaturowa bateria, ale poprawiona wydajność

Gadżet jest widoczny, centralny ekran rozprasza obraz z kamery umieszczonej w prawym lusterku zaraz po włączeniu kierunkowskazu. Większość naszych amerykańskich klientów już nie potrzebuje, a to pozwala nam utrzymać ceny na niskim poziomie – uzasadnia główny inżynier, który oferuje niższą taryfę niż. Właściwie warto mówić o stosie ogniw paliwowych, ponieważ jest ich 358, które współpracują ze sobą. Główny zbiornik o pojemności 117 litrów dociskany jest do tylnej ściany ławki, uniemożliwiając jej złożenie, natomiast drugi – 24 litry, ukryty jest pod siedziskiem.

Zalety wodorowych ogniw paliwowych w porównaniu do tradycyjnych rozwiązań:

- zwiększona energochłonność właściwa (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- rozszerzony zakres temperatur pracy (-40 0 C / +40 0 C),

- brak plam cieplnych, hałasu i wibracji,

- niezawodność przy zimnym rozruchu,

- praktycznie nieograniczony okres magazynowania energii (brak samorozładowania),

Pierwsze dwusuwowe ogniwo paliwowe

Pomimo niewielkich rozmiarów to nowe ogniwo paliwowe przekształca diwodór w prąd elektryczny szybciej i lepiej niż jego poprzednik. Dostarcza tlen do elementów pala w tempie wcześniej uznawanym za niezgodne z ich trwałością. Najlepiej jest odprowadzić nadmiar wody, który wcześniej ograniczał przepływ. W rezultacie moc na element wzrasta o połowę, a wydajność sięga 60%.

Dzieje się tak dzięki obecności akumulatora litowo-jonowego o pojemności 1,7 kWh – umieszczonego pod przednimi siedzeniami, który pozwala na dostarczenie dodatkowego prądu przy dużych przyspieszeniach. Lub prognozowana autonomia wynosi 460 km, idealnie zgodna z tym, co twierdzi producent.

- możliwość zmiany energochłonności systemu poprzez zmianę ilości wkładów paliwowych, co zapewnia niemal nieograniczoną autonomię,

Możliwość zapewnienia niemal dowolnej rozsądnej energochłonności układu poprzez zmianę pojemności magazynowania wodoru,

- duża energochłonność,

- tolerancja na zanieczyszczenia wodorem,

Ale tysiąc części ułatwia przepływ powietrza i optymalizuje chłodzenie. Jeszcze bardziej niż jego poprzednik, ten samochód elektryczny pokazuje, że ogniwo paliwowe znajduje się z przodu i pośrodku. Duże wyzwanie dla branży i naszych liderów. Tymczasem bardzo mądrze jest wiedzieć, które ogniwo paliwowe lub akumulator zwycięży.

Ogniwo paliwowe to elektrochemiczne urządzenie do konwersji energii, które może wytwarzać energię elektryczną w postaci prądu stałego poprzez połączenie paliwa i utleniacza w reakcji chemicznej, w wyniku której powstaje produkt odpadowy, zazwyczaj tlenek paliwa.

- długa żywotność,

- przyjazność dla środowiska i cicha praca.

Układy zasilania oparte na wodorowych ogniwach paliwowych dla UAV:

Instalacja ogniw paliwowych pojazdy bezzałogowe zamiast tradycyjnych akumulatorów zwielokrotnia czas lotu i masę ładunku, zwiększa niezawodność samolotu, rozszerza zakres temperatur startu i eksploatacji UAV, obniżając granicę do -40 0C. W porównaniu z silnikami spalinowymi systemy oparte na ogniwach paliwowych są ciche, wolne od wibracji i działają w temp niskie temperatury, są trudne do wykrycia podczas lotu, nie wytwarzają szkodliwych emisji i pozwalają skutecznie wykonywać zadania od nadzoru wideo po dostawę ładunków.

Każde ogniwo paliwowe ma dwie elektrody, jedną dodatnią, drugą ujemną, a reakcja wytwarzająca prąd zachodzi na elektrodach w obecności elektrolitu, który przenosi naładowane cząstki z elektrody na elektrodę, natomiast elektrony krążą w zewnętrznych przewodach umieszczonych pomiędzy elektrodami do wytwarzania prądu.

Ogniwo paliwowe może wytwarzać energię elektryczną w sposób ciągły, pod warunkiem utrzymania wymaganego przepływu paliwa i utleniacza. Niektóre ogniwa paliwowe wytwarzają tylko kilka watów, inne mogą wytworzyć kilkaset kilowatów, podczas gdy mniejsze baterie można prawdopodobnie znaleźć w laptopach i telefonach komórkowych, ale ogniwa paliwowe są zbyt drogie, aby mogły stać się małymi generatorami używanymi do produkcji energii elektrycznej dla domów i firm.

Skład układu zasilania UAV:

Wymiary ekonomiczne ogniw paliwowych

Wykorzystanie wodoru jako źródła paliwa wiąże się ze znacznymi kosztami. Z tego powodu wodór jest obecnie źródłem nieekonomicznym, zwłaszcza że można wykorzystać inne, tańsze źródła. Koszty produkcji wodoru mogą się różnić, ponieważ odzwierciedlają koszt zasobów, z których jest on wydobywany.

Źródła paliwa akumulatorowego

Ogniwa paliwowe ogólnie dzieli się na następujące kategorie: wodorowe ogniwa paliwowe, organiczne ogniwa paliwowe, metalowe ogniwa paliwowe i akumulatory redoks. Kiedy jako źródło paliwa wykorzystuje się wodór, energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną podczas procesu odwrotnej hydrolizy, w wyniku czego w postaci odpadów wytwarzana jest jedynie woda i ciepło. Wodorowe ogniwo paliwowe ma bardzo niski poziom produkcji, ale może wytwarzać mniej więcej dużo wodoru, zwłaszcza jeśli jest produkowany z paliw kopalnych.

• - akumulator ogniw paliwowych,
• - akumulator buforowy Li-Po do pokrycia krótkotrwałych obciążeń szczytowych,
• - elektroniczny System sterowania ,
• - układ paliwowy składający się z butli ze sprężonym wodorem lub ze stałego źródła wodoru.

W układzie paliwowym zastosowano lekkie cylindry i reduktory o wysokiej wytrzymałości, aby zapewnić maksymalny dopływ sprężonego wodoru na pokładzie. Dopuszcza się stosowanie butli o różnej wielkości (od 0,5 do 25 litrów) z reduktorami zapewniającymi wymagane zużycie wodoru.

Akumulatory wodorowe dzielą się na dwie kategorie: akumulatory niskotemperaturowe i akumulatory wysokotemperaturowe, przy czym akumulatory wysokotemperaturowe mogą również bezpośrednio wykorzystywać paliwa kopalne. Te ostatnie składają się z węglowodorów, takich jak ropa naftowa lub benzyna, alkohol lub biomasa.

Inne źródła paliwa w akumulatorach obejmują między innymi alkohole, cynk, aluminium, magnez, roztwory jonowe i wiele węglowodorów. Inne środki utleniające obejmują, ale nie wyłącznie, powietrze, chlor i dwutlenek chloru. Obecnie istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych.

Charakterystyka układu zasilania UAV:

Przenośne ładowarki oparte na wodorowych ogniwach paliwowych:

Ładowarki przenośne oparte na wodorowych ogniwach paliwowych to urządzenia kompaktowe, porównywalne pod względem masy i wymiarów z istniejącymi ładowarkami do akumulatorów, które są aktywnie wykorzystywane na świecie.

Wszechobecna przenośna technologia we współczesnym świecie wymaga regularnego ładowania. Tradycyjne systemy przenośne są praktycznie bezużyteczne w niskich temperaturach, a po spełnieniu swojej funkcji wymagają także doładowania za pomocą (sieci elektrycznej), co również zmniejsza ich wydajność i autonomię urządzenia.

Każda cząsteczka diwodoru otrzymuje 2 elektrony. Jon H przemieszcza się z anody na katodę i powoduje przepływ prądu elektrycznego poprzez przeniesienie elektronu. Jak mogłyby wyglądać ogniwa paliwowe w samolotach? Obecnie na samolotach prowadzone są testy, mające na celu podjęcie prób latania na nich z wykorzystaniem hybrydowego akumulatora litowo-jonowego z ogniwami paliwowymi. Prawdziwa zaleta ogniwa paliwowego polega na jego niewielkiej wadze: jest lżejsza, co pomaga zmniejszyć masę samolotu, a tym samym zużycie paliwa.

Jednak na razie latanie samolotem napędzanym ogniwami paliwowymi nie jest możliwe, ponieważ ma on nadal wiele wad. Obraz ogniwa paliwowego. Jakie są wady ogniwa paliwowego? Po pierwsze, gdyby wodór był powszechny, jego stosowanie w dużych ilościach byłoby problematyczne. Rzeczywiście jest dostępny nie tylko na Ziemi. Występuje w wodzie zawierającej tlen i amoniaku. Dlatego do jej otrzymania konieczna jest elektroliza wody, a nie jest to jeszcze metoda powszechna.

Systemy wodorowych ogniw paliwowych wymagają jedynie wymiany kompaktowego wkładu paliwowego, po czym urządzenie jest od razu gotowe do użycia.

Cechy ładowarek przenośnych:

Zasilacze bezprzerwowe oparte na wodorowych ogniwach paliwowych:

Systemy zasilania gwarantowanego oparte na wodorowych ogniwach paliwowych przeznaczone są do organizacji zasilania rezerwowego i zasilania tymczasowego. Systemy zasilania gwarantowanego oparte na wodorowych ogniwach paliwowych oferują znaczną przewagę nad tradycyjnymi rozwiązaniami w zakresie organizacji zasilania tymczasowego i rezerwowego, z wykorzystaniem akumulatorów i generatorów diesla.

Wodór jest gazem, co utrudnia jego przechowywanie i transport. Kolejnym zagrożeniem związanym ze stosowaniem wodoru jest ryzyko wybuchu, gdyż jest to gaz łatwopalny. to, co zasila akumulator do jego produkcji na dużą skalę, wymaga innego źródła energii, czy to ropy, gazu, węgla, czy energii jądrowej, co powoduje, że jego bilans środowiskowy jest znacznie gorszy niż nafty i sprawia, że ​​hałda, platyna, jest metalem jeszcze rzadszym i droższe od złota.

Ogniwo paliwowe dostarcza energię poprzez utlenianie paliwa na anodzie i redukcję utleniacza na katodzie. Odkrycie zasady ogniwa paliwowego i pierwsze wdrożenia w laboratorium wykorzystujące kwas siarkowy jako elektrolit przypisuje się chemikowi Williamowi Grove'owi.

Charakterystyka systemu zasilania gwarantowanego:

Ogniwo paliwowe jest urządzeniem elektrochemicznym podobnym do ogniwa galwanicznego, jednak różni się od niego tym, że substancje do reakcji elektrochemicznej dostarczane są do niego z zewnątrz – w przeciwieństwie do ograniczonej ilości energii zmagazynowanej w ogniwie galwanicznym lub akumulatorze.

Rzeczywiście, ogniwa paliwowe mają pewne zalety: te, które wykorzystują diwodór i dwutlenek, emitują jedynie parę wodną: jest to zatem czysta technologia. Istnieje kilka typów ogniw paliwowych, w zależności od rodzaju elektrolitu, rodzaju paliwa, bezpośredniego lub pośredniego utleniania oraz temperatury roboczej.

Poniższa tabela podsumowuje główne cechy tych różnych urządzeń. W kilku programach europejskich bada się inne polimery, takie jak pochodne polibenzimidazolu, które są bardziej stabilne i tańsze. Zwartość baterii również stanowi ciągłe wyzwanie w przypadku membran o grubości rzędu 15–50 mikronów, porowatych anod węglowych i dwubiegunowych płytek ze stali nierdzewnej. Można również wydłużyć oczekiwaną długość życia, ponieważ z jednej strony śladowe ilości tlenku węgla rzędu kilku ppm w wodorze są prawdziwą trucizną dla katalizatora, a z drugiej strony obowiązkowa jest kontrola zawartości wody w polimerze.

Ryż. 1. Niektóre ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe przekształcają energię chemiczną paliwa w energię elektryczną, omijając nieefektywne procesy spalania, które zachodzą z dużymi stratami. Zamieniają wodór i tlen w energię elektryczną w drodze reakcji chemicznej. W wyniku tego procesu powstaje woda i wydziela się duża ilość ciepła. Ogniwo paliwowe jest bardzo podobne do akumulatora, który można ładować, a następnie wykorzystywać zmagazynowaną energię elektryczną. Za wynalazcę ogniwa paliwowego uważa się Williama R. Grove'a, który wynalazł je w 1839 roku. W tym ogniwie paliwowym zastosowano roztwór kwasu siarkowego jako elektrolit i wodór jako paliwo, które łączono z tlenem w środku utleniającym. Do niedawna ogniwa paliwowe były używane wyłącznie w laboratoriach i na statkach kosmicznych.

W odróżnieniu od innych agregatów prądotwórczych, takich jak silniki spalinowe czy turbiny zasilane gazem, węglem, olejem opałowym itp., ogniwa paliwowe nie spalają paliwa. Oznacza to brak hałaśliwych wirników wysokociśnieniowych, głośnego hałasu wydechu i wibracji. Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną w wyniku cichej reakcji elektrochemicznej. Inną cechą ogniw paliwowych jest to, że przekształcają one energię chemiczną paliwa bezpośrednio w energię elektryczną, ciepło i wodę.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie wytwarzają dużych ilości gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. Jedyne emisje z ogniw paliwowych to woda w postaci pary wodnej i niewielka ilość dwutlenku węgla, który w ogóle nie jest uwalniany, jeśli jako paliwo stosowany jest czysty wodór. Ogniwa paliwowe składane są w zespoły, a następnie w poszczególne moduły funkcjonalne.

Ogniwa paliwowe nie mają ruchomych części (przynajmniej nie w samym ogniwie) i dlatego nie podlegają prawu Carnota. Oznacza to, że będą miały sprawność większą niż 50% i będą szczególnie skuteczne przy niskich obciążeniach. Zatem pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi mogą stać się (i już okazały się) bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa niż pojazdy konwencjonalne w rzeczywistych warunkach jazdy.

Ogniwo paliwowe wytwarza prąd elektryczny o stałym napięciu, który można wykorzystać do napędzania silnika elektrycznego, oświetlenia i innych układów elektrycznych w pojeździe.

Istnieje kilka rodzajów ogniw paliwowych, różniących się zastosowanymi procesami chemicznymi. Ogniwa paliwowe są zwykle klasyfikowane według rodzaju stosowanego elektrolitu.

Niektóre typy ogniw paliwowych są obiecujące w napędzie elektrowni, inne zaś w urządzeniach przenośnych lub w napędzaniu samochodów.

1. Alkaliczne ogniwa paliwowe (ALFC)

Alkaliczne ogniwo paliwowe- To jeden z pierwszych opracowanych elementów. Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC) to jedna z najlepiej zbadanych technologii, stosowana od połowy lat 60. XX wieku przez NASA w programach Apollo i Space Shuttle. Na pokładzie tych statków kosmicznych ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną i wodę pitną.

Alkaliczne ogniwa paliwowe są jednymi z najbardziej wydajnych ogniw wykorzystywanych do wytwarzania energii elektrycznej, a ich sprawność wytwarzania energii sięga 70%.

Alkaliczne ogniwa paliwowe korzystają z elektrolitu, tj. roztwór wodny wodorotlenek potasu zawarty w porowatej, stabilizowanej matrycy. Stężenie wodorotlenku potasu może zmieniać się w zależności od temperatury pracy ogniwa paliwowego, która waha się od 65°C do 220°C. Nośnikiem ładunku w SHTE jest jon hydroksylowy (OH-), przemieszczający się z katody na anodę, gdzie reaguje z wodorem, wytwarzając wodę i elektrony. Woda powstająca na anodzie wraca do katody, ponownie wytwarzając tam jony hydroksylowe. W wyniku tego szeregu reakcji zachodzących w ogniwie paliwowym powstaje prąd, a jako produkt uboczny ciepło:

Reakcja na anodzie: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reakcja na katodzie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Ogólna reakcja układy: 2H2 + O2 => 2H2O

Zaletą SHTE jest to, że te ogniwa paliwowe są najtańsze w produkcji, ponieważ katalizatorem potrzebnym na elektrodach może być dowolna substancja, która jest tańsza niż te stosowane jako katalizatory w innych ogniwach paliwowych. Ponadto SHTE działają w stosunkowo niskich temperaturach i należą do najbardziej wydajnych.

Jedną z charakterystycznych cech SHTE jest duża wrażliwość na CO2, który może znajdować się w paliwie lub powietrzu. CO2 reaguje z elektrolitem, szybko go zatruwa i znacznie zmniejsza wydajność ogniwa paliwowego. Dlatego zastosowanie SHTE ogranicza się do zamkniętych przestrzeni, takich jak pojazdy kosmiczne i podwodne, działają one na czystym wodorze i tlenie.

2. Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)

Ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym to wysokotemperaturowe ogniwa paliwowe. Wysoka temperatura pracy pozwala na bezpośrednie wykorzystanie gazu ziemnego bez procesora paliwa oraz niskokalorycznego gazu opałowego pochodzącego z procesów przemysłowych i innych źródeł. Proces ten rozwinął się w połowie lat 60. XX wieku. Od tego czasu udoskonalono technologię produkcji, wydajność i niezawodność.

Działanie RCFC różni się od innych ogniw paliwowych. Ogniwa te wykorzystują elektrolit wykonany z mieszaniny stopionych soli węglanowych. Obecnie stosuje się dwa rodzaje mieszanin: węglan litu i węglan potasu lub węglan litu i węglan sodu. Aby stopić sole węglanowe i uzyskać wysoki stopień ruchliwości jonów w elektrolicie, ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym pracują w wysokich temperaturach (650°C). Wydajność waha się w granicach 60-80%.

Po podgrzaniu do temperatury 650°C sole stają się przewodnikiem jonów węglanowych (CO32-). Jony te przechodzą z katody na anodę, gdzie łączą się z wodorem, tworząc wodę, dwutlenek węgla i wolne elektrony. Elektrony te są przesyłane zewnętrznym obwodem elektrycznym z powrotem do katody, wytwarzając jako produkt uboczny prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja na anodzie: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reakcja na katodzie: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

Ogólna reakcja pierwiastka: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katoda) => H2O(g) + CO2(anoda)

Wysokie temperatury pracy ogniw paliwowych z elektrolitem w postaci stopionego węglanu mają pewne zalety. Zaletą jest możliwość zastosowania standardowych materiałów (blachy ze stali nierdzewnej i katalizator niklowy na elektrodach). Ciepło odpadowe można wykorzystać do wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Wysokie temperatury reakcji w elektrolicie mają również swoje zalety. Stosowanie wysokich temperatur wymaga dużo czasu, aby osiągnąć optymalne warunki pracy, a system wolniej reaguje na zmiany zużycia energii. Te cechy pozwalają na stosowanie instalacji ogniw paliwowych ze stopionym elektrolitem węglanowym w warunkach stałej mocy. Wysokie temperatury zapobiegają uszkodzeniom ogniwa paliwowego przez tlenek węgla, „zatruciu” itp.

Ogniwa paliwowe ze stopionym elektrolitem węglanowym nadają się do stosowania w dużych instalacjach stacjonarnych. Na skalę przemysłową produkowane są elektrownie cieplne o mocy elektrycznej 2,8 MW. W fazie rozwoju są instalacje o mocy do 100 MW.

3. Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (PAFC)

Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego). stały się pierwszymi ogniwami paliwowymi do użytku komercyjnego. Proces ten został opracowany w połowie lat 60-tych XX wieku, badania prowadzono od lat 70-tych XX wieku. Rezultatem była zwiększona stabilność i wydajność oraz obniżone koszty.

Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym (ortofosforowym) wykorzystują elektrolit na bazie kwasu ortofosforowego (H3PO4) w stężeniach do 100%. Przewodność jonowa kwasu fosforowego jest niska w niskich temperaturach, dlatego te ogniwa paliwowe są stosowane w temperaturach do 150–220 °C.

Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwach paliwowych jest wodór (H+, proton). Podobny proces zachodzi w ogniwach paliwowych z membraną do wymiany protonów (PEMFC), w których wodór dostarczany do anody jest rozdzielany na protony i elektrony. Protony przemieszczają się przez elektrolit i łączą się z tlenem z powietrza na katodzie, tworząc wodę. Elektrony są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując w ten sposób prąd elektryczny. Poniżej znajdują się reakcje generujące prąd elektryczny i ciepło.

Reakcja na anodzie: 2H2 => 4H+ + 4e

Reakcja na katodzie: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Ogólna reakcja pierwiastka: 2H2 + O2 => 2H2O

Sprawność ogniw paliwowych opartych na kwasie fosforowym (ortofosforowym) przy wytwarzaniu energii elektrycznej wynosi ponad 40%. Przy skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej ogólna wydajność wynosi około 85%. Ponadto, przy danych temperaturach roboczych, ciepło odpadowe można wykorzystać do podgrzewania wody i wytwarzania pary pod ciśnieniem atmosferycznym.

Wysoka wydajność elektrowni cieplnych wykorzystujących ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (ortofosforowego) w skojarzonej produkcji energii cieplnej i elektrycznej jest jedną z zalet tego typu ogniw paliwowych. W jednostkach zastosowano tlenek węgla o stężeniu około 1,5%, co znacznie poszerza wybór paliwa. Prosta konstrukcja, niski stopień lotności elektrolitu i zwiększona stabilność to także zalety tego typu ogniw paliwowych.

Na skalę przemysłową produkowane są elektrownie cieplne o mocy elektrycznej do 400 kW. Instalacje o mocy 11 MW przeszły odpowiednie badania. W fazie rozwoju są instalacje o mocy do 100 MW.

4. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC)

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów są uważane za najbardziej najlepszy typ ogniwa paliwowe do wytwarzania energii dla pojazdów, które mogą zastąpić silniki spalinowe benzynowe i wysokoprężne. Te ogniwa paliwowe zostały po raz pierwszy użyte przez NASA w programie Gemini. Opracowano i zademonstrowano instalacje oparte na MOPFC o mocach od 1 W do 2 kW.

Elektrolit w tych ogniwach paliwowych to stała membrana polimerowa (cienka warstwa plastiku). Po nasyceniu wodą polimer ten umożliwia przejście protonów, ale nie przewodzi elektronów.

Paliwem jest wodór, a nośnikiem ładunku jest jon wodorowy (proton). Na anodzie cząsteczka wodoru jest rozdzielana na jon wodoru (proton) i elektrony. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit do katody, a elektrony poruszają się po zewnętrznym okręgu i wytwarzają energię elektryczną. Tlen pobrany z powietrza jest dostarczany do katody i łączy się z elektronami i jonami wodoru, tworząc wodę. Na elektrodach zachodzą następujące reakcje: Reakcja na anodzie: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReakcja na katodzie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Całkowita reakcja ogniwa: 2H2 + O2 => 2H2O W porównaniu do innych typów ogniwa paliwowe, ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów wytwarzają więcej energii przy danej objętości lub wadze ogniwa paliwowego. Dzięki tej funkcji są kompaktowe i lekkie. Dodatkowo temperatura pracy nie przekracza 100°C, co pozwala na szybkie rozpoczęcie pracy. Te cechy, a także możliwość szybkiej zmiany generowanej energii to tylko niektóre z powodów, które czynią te ogniwa paliwowe głównymi kandydatami do zastosowania w pojazdach.

Kolejną zaletą jest to, że elektrolit jest stały, a nie stały substancja płynna. Łatwiej jest zatrzymać gazy na katodzie i anodzie, stosując stały elektrolit, dlatego takie ogniwa paliwowe są tańsze w produkcji. W przypadku stałego elektrolitu nie ma problemów z orientacją i mniej problemów z korozją, co zwiększa trwałość ogniwa i jego komponentów.

5. Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem to ogniwa paliwowe o najwyższej temperaturze roboczej. Temperatura robocza może wahać się od 600°C do 1000°C, co pozwala na stosowanie różnych rodzajów paliw bez specjalnej obróbki wstępnej. Aby wytrzymać tak wysokie temperatury, stosowanym elektrolitem jest cienki stały tlenek metalu na podłożu ceramicznym, często stop itru i cyrkonu, który jest przewodnikiem jonów tlenu (O2-). Technologia wykorzystania ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem rozwija się od końca lat 50. XX wieku i występuje w dwóch konfiguracjach: planarnej i rurowej.

Elektrolit stały zapewnia szczelne przejście gazu z jednej elektrody na drugą, natomiast elektrolity ciekłe znajdują się w porowatym podłożu. Nośnikiem ładunku w tego typu ogniwach paliwowych jest jon tlenu (O2-). Na katodzie cząsteczki tlenu z powietrza są rozdzielane na jon tlenu i cztery elektrony. Jony tlenu przechodzą przez elektrolit i łączą się z wodorem, tworząc cztery wolne elektrony. Elektrony są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując prąd elektryczny i ciepło odpadowe.

Reakcja na anodzie: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reakcja na katodzie: O2 + 4e- => 2O2-

Ogólna reakcja pierwiastka: 2H2 + O2 => 2H2O

Sprawność wytwarzania energii elektrycznej jest najwyższa ze wszystkich ogniw paliwowych – około 60%. Ponadto wysokie temperatury robocze umożliwiają łączną produkcję energii cieplnej i elektrycznej w celu wytworzenia pary pod wysokim ciśnieniem. Połączenie wysokotemperaturowego ogniwa paliwowego z turbiną pozwala stworzyć hybrydowe ogniwo paliwowe zwiększające efektywność wytwarzania energii elektrycznej nawet o 70%.

Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem działają w bardzo wysokich temperaturach (600°C-1000°C), co powoduje znaczny czas potrzebny do osiągnięcia optymalnych warunków pracy i wolniejszą reakcję systemu na zmiany w zużyciu energii. Przy tak wysokich temperaturach pracy nie ma potrzeby stosowania konwertera do odzyskiwania wodoru z paliwa, co pozwala na pracę elektrociepłowni na stosunkowo zanieczyszczonych paliwach powstałych w wyniku zgazowania węgla, gazów odlotowych itp. Ogniwo paliwowe doskonale nadaje się również do zastosowań wymagających dużej mocy, w tym do zastosowań przemysłowych i dużych elektrowni centralnych. Na skalę przemysłową produkowane są moduły o mocy elektrycznej 100 kW.

6. Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu (DOMFC)

Ogniwa paliwowe z bezpośrednim utlenianiem metanolu Z powodzeniem wykorzystywane są w dziedzinie zasilania telefonów komórkowych, laptopów, a także do tworzenia przenośnych źródeł zasilania, czemu ma służyć przyszłe wykorzystanie tego typu elementów.

Konstrukcja ogniw paliwowych z bezpośrednim utlenianiem metanolu jest podobna do konstrukcji ogniw paliwowych z membraną do wymiany protonów (MEPFC), tj. Jako elektrolit stosuje się polimer, a jako nośnik ładunku jon wodorowy (proton). Jednak ciekły metanol (CH3OH) utlenia się w obecności wody na anodzie, uwalniając CO2, jony wodoru i elektrony, które są przesyłane przez zewnętrzny obwód elektryczny, generując w ten sposób prąd elektryczny. Jony wodoru przechodzą przez elektrolit i reagują z tlenem z powietrza i elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc wodę na anodzie.

Reakcja na anodzie: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReakcja na katodzie: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Ogólna reakcja pierwiastka: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Opracowanie takich ogniw paliwowych prowadzono od początku lat 90-tych XX wieku, zwiększając ich moc właściwą i sprawność do 40%.

Elementy te badano w zakresie temperatur 50-120°C. Ze względu na niskie temperatury pracy i brak konieczności stosowania konwertera takie ogniwa paliwowe są głównymi kandydatami do stosowania w telefonach komórkowych i innych produktach konsumenckich, a także w silnikach samochodów. Ich zaletą jest także niewielki rozmiar.

7. Ogniwa paliwowe z polimerowym elektrolitem (PEFC)

W przypadku ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym membrana polimerowa składa się z włókien polimerowych z obszarami wodnymi, w których jony wody przewodzącej H2O+ (proton, czerwony) przyłączają się do cząsteczki wody. Cząsteczki wody stanowią problem ze względu na powolną wymianę jonową. Dlatego wymagane jest wysokie stężenie wody zarówno w paliwie, jak i na elektrodach wylotowych, co ogranicza temperaturę pracy do 100°C.

8. Ogniwa paliwowe ze stałym kwasem (SFC)

W ogniwach paliwowych ze stałym kwasem elektrolit (CsHSO4) nie zawiera wody. Temperatura robocza wynosi zatem 100-300°C. Rotacja oksyanionów SO42 pozwala protonom (kolor czerwony) poruszać się, jak pokazano na rysunku. Zazwyczaj ogniwo paliwowe na kwas stały to kanapka, w której bardzo cienka warstwa związku kwasu stałego jest umieszczona pomiędzy dwiema elektrodami, które są ściśle dociśnięte do siebie, aby zapewnić dobry kontakt. Po podgrzaniu składnik organiczny odparowuje, wychodząc przez pory w elektrodach, utrzymując zdolność wielokrotnych kontaktów pomiędzy paliwem (lub tlenem na drugim końcu elementu), elektrolitem i elektrodami.

9. Porównanie najważniejszych cech ogniw paliwowych

Charakterystyka ogniw paliwowych

Typ ogniwa paliwowego	Temperatura robocza	Efektywność wytwarzania energii	Typ paliwa	Szereg zastosowań
				Instalacje średnie i duże
			Czysty wodór	instalacje
			Czysty wodór	Małe instalacje
			Większość paliw węglowodorowych	Małe, średnie i duże instalacje
				Przenośny instalacje
			Czysty wodór	Przestrzeń zbadane
			Czysty wodór	Małe instalacje

10. Zastosowanie ogniw paliwowych w samochodach

Przygotuj wszystko, czego potrzebujesz. Do wykonania prostego ogniwa paliwowego potrzebne będą 12 cali drutu platynowego lub pokrytego platyną, patyczek do lodów, 9-woltowa bateria i uchwyt na baterię, przezroczysta taśma, szklanka wody, sól kuchenna (opcjonalnie), cienki metal pręt i woltomierz.

• Baterię 9 V i uchwyt baterii można kupić w sklepie z elektroniką lub sprzętem.

Wytnij dwa kawałki o długości 15 centymetrów z drutu platynowego lub pokrytego platyną. Drut platynowy służy do celów specjalnych i można go kupić w sklepie elektronicznym. Będzie służyć jako katalizator reakcji.

Owiń kawałki drutu wokół cienkiego metalowego pręta, aby utworzyć kształt sprężyny. Będą to elektrody ogniwa paliwowego. Chwyć koniec drutu i owiń go ciasno wokół pręta, aby utworzyć sprężynę śrubową. Usuń pierwszy drut z pręta i nawiń drugi kawałek drutu.

• Jako pręt do nawijania drutu możesz użyć gwoździa, wieszaka do drutu lub sondy testowej.

Przetnij przewody uchwytu akumulatora na pół. Weź przecinaki do drutu, przetnij na pół oba przewody przymocowane do uchwytu i usuń z nich izolację. Przymocujesz te gołe przewody do elektrod.

• Za pomocą odpowiedniej części obcinaka do drutu zdejmij izolację z końców drutu. Zdejmij izolację z końcówek przewodów wyciętych z uchwytu akumulatora.
• Przetnij drut pod nadzorem osoby dorosłej.

Przymocuj końce przewodów pozbawionych izolacji do elektrod. Podłącz przewody do elektrod, aby następnie można było podłączyć źródło zasilania (uchwyt akumulatora) i woltomierz w celu określenia napięcia wytwarzanego przez ogniwo paliwowe.

• Owiń czerwony przewód uchwytu baterii i odcięty czerwony przewód wokół górnego końca jednej ze szpul drutu, pozostawiając większość z nich wolną.
• Owiń górny koniec drugiej cewki czarnym drutem uchwytu baterii i przeciętym czarnym drutem.

Przymocuj elektrody do patyczka do lodów lub drewnianego pręta. Patyczek do lodów powinien być dłuższy niż szyjka szklanki z wodą, tak aby mógł na niej spoczywać. Przyklej elektrody tak, aby zwisały z patyka i wpadły do ​​wody.

• Możesz użyć przezroczystej taśmy lub taśmy elektrycznej. Najważniejsze jest to, że elektrody są bezpiecznie przymocowane do drążka.

Do szklanki wlej wodę z kranu lub słoną wodę. Aby reakcja zaszła, woda musi zawierać elektrolity. Woda destylowana nie nadaje się do tego, ponieważ nie zawiera zanieczyszczeń, które mogą służyć jako elektrolity. Aby reakcja chemiczna przebiegała normalnie, można rozpuścić w wodzie sól lub sodę oczyszczoną.

• Zwykła woda z kranu zawiera również zanieczyszczenia mineralne, dlatego można ją stosować jako elektrolit, jeśli nie masz pod ręką soli.
• Dodaj sól lub sodę oczyszczoną w ilości jednej łyżki stołowej (20 gramów) na szklankę wody. Mieszaj wodę, aż sól lub soda oczyszczona całkowicie się rozpuszczą.

Umieść pałeczkę z elektrodami na szyjce szklanki z wodą. W takim przypadku elektrody w postaci drucianych sprężyn należy zanurzyć pod wodą na większej części ich długości, z wyjątkiem styków z drutami uchwytu akumulatora. Tylko drut platynowy powinien znajdować się pod wodą.

• W razie potrzeby zabezpiecz sztyft taśmą, aby elektrody pozostały w wodzie.

Podłącz przewody wychodzące z elektrod do woltomierza lub żarówki LED. Za pomocą woltomierza można określić napięcie wytwarzane przez aktywowane ogniwo paliwowe. Podłącz czerwony przewód do dodatniego zacisku, a czarny przewód do ujemnego zacisku woltomierza.

• Na tym etapie woltomierz może pokazywać niewielką wartość, na przykład 0,01 wolta, chociaż napięcie na nim powinno wynosić zero.
• Można także podłączyć małą żarówkę, np. latarkę lub diodę LED.