DIY vodíkový ohrev. Čo sú palivové články DIY reverzibilné palivové články

Majitelia patentu RU 2379795:

Vynález sa týka priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov využívajúcich tuhé kyslé elektrolyty a katalyzátory vnútorného reformovania. Technickým výsledkom vynálezu je zvýšenie merného výkonu a napätia prvku. Podľa vynálezu palivový článok obsahuje anódu, katódu, pevný kyslý elektrolyt, vrstvu na difúziu plynu a katalyzátor vnútorného reformovania. Vnútorným reformovacím katalyzátorom môže byť akýkoľvek vhodný reformátor a je umiestnený v blízkosti anódy. V tejto konfigurácii je teplo generované pri exotermických reakciách na katalyzátore v palivovom článku a ohmický ohrev elektrolytu palivového článku hnacou silou pre endotermickú reformovaciu reakciu paliva premieňajúcu alkoholové palivo na vodík. Je možné použiť akékoľvek alkoholové palivo, napríklad metanol alebo etanol. 5 n. a 20 plat f-ly, 4 chorí.

Oblasť techniky

Vynález sa týka priamych alkoholových palivových článkov využívajúcich tuhé kyslé elektrolyty.

Súčasný stav techniky

Alkoholy boli nedávno intenzívne skúmané ako potenciálne palivá. Obzvlášť žiaduce palivá sú alkoholy, ako je metanol a etanol, pretože majú hustotu energie päť až sedemkrát vyššiu ako štandardný stlačený vodík. Napríklad jeden liter metanolu je energeticky ekvivalentný 5,2 litrom vodíka stlačeného na 320 atm. Navyše jeden liter etanolu je energeticky ekvivalentný 7,2 litrom vodíka stlačeného na 350 atm. Takéto alkoholy sú tiež žiaduce, pretože sa s nimi ľahko manipuluje, skladujú a prepravujú.

Metanol a etanol boli predmetom mnohých výskumov z hľadiska alkoholových palív. Etanol sa môže vyrábať fermentáciou rastlín obsahujúcich cukor a škrob. Metanol sa môže vyrábať splyňovaním dreva alebo drevného/obilného odpadu (slamy). Syntéza metanolu je však efektívnejšia. Tieto alkoholy sú okrem iného obnoviteľné zdroje, a preto sa predpokladá, že zohrávajú dôležitú úlohu pri znižovaní emisií skleníkových plynov a znižovaní závislosti od fosílnych palív.

Palivové články boli navrhnuté ako zariadenia, ktoré premieňajú chemickú energiu takýchto alkoholov na elektrickú energiu. V tomto ohľade boli priame alkoholové palivové články s polymérnymi elektrolytovými membránami podrobené intenzívnemu výskumu. Konkrétne sa výskum zameral na priame metanolové palivové články a priame etanolové palivové články. Výskum priamych etanolových palivových článkov bol však obmedzený z dôvodu relatívnej náročnosti oxidácie etanolu v porovnaní s oxidáciou metanolu.

Napriek tomuto rozsiahlemu výskumnému úsiliu zostáva výkon priamych alkoholových palivových článkov neuspokojivý, hlavne kvôli kinetickým obmedzeniam spôsobeným elektródovými katalyzátormi. Napríklad typické priame metanolové palivové články majú hustotu výkonu približne 50 mW/cm2. Dosiahli sa vyššie výkonové hustoty, ako napríklad 335 mW/cm2, ale len za extrémne drsných podmienok (Nafion®, 130 °C, 5 atm kyslíka a 1 M metanol pre prietok 2 cm3/min pri tlaku 1,8 atm ). Podobne priamy etanolový palivový článok má hustotu výkonu 110 mW/cm2 za podobných extrémne drsných podmienok (Nafion® - oxid kremičitý, 140°C, anóda 4 atm, kyslík 5,5 atm). V súlade s tým existuje potreba priamych alkoholových palivových článkov s vysokou hustotou výkonu v neprítomnosti takýchto extrémnych podmienok.

Zhrnutie vynálezu

Predložený vynález sa týka alkoholových palivových článkov obsahujúcich tuhé kyslé elektrolyty a využívajúcich katalyzátor vnútorného reformovania. Palivový článok vo všeobecnosti obsahuje anódu, katódu, pevný kyslý elektrolyt a vnútorný reformátor. Reformátor zabezpečuje reformovanie alkoholového paliva na výrobu vodíka. Hnacou silou reformovacej reakcie je teplo generované počas exotermických reakcií v palivovom článku.

Použitie pevných kyslých elektrolytov v palivovom článku umožňuje umiestniť reformátor priamo vedľa anódy. Toto sa predtým nepovažovalo za možné v dôsledku zvýšených teplôt potrebných na to, aby známe reformovacie materiály fungovali efektívne, a tepelnej citlivosti typických membrán polymérnych elektrolytov. Avšak v porovnaní s konvenčnými polymérnymi elektrolytovými membránami môžu tuhé kyslé elektrolyty vydržať oveľa vyššie teploty, čo umožňuje umiestniť reformátor vedľa anódy, a teda blízko elektrolytu. V tejto konfigurácii je odpadové teplo generované elektrolytom absorbované reformátorom a slúži ako hnacia sila pre endotermickú reformovaciu reakciu.

Stručný popis výkresov

Tieto a ďalšie znaky a výhody tohto vynálezu budú lepšie pochopené s odkazom na nasledujúci podrobný opis v spojení s priloženými výkresmi, na ktorých:

Obrázok 1 je schematické znázornenie palivového článku podľa jedného uskutočnenia tohto vynálezu;

Obrázok 2 je grafické porovnanie kriviek medzi hustotou výkonu a napätím článku pre palivové články získané podľa príkladov 1 a 2 a porovnávacieho príkladu 1;

Obrázok 3 je grafické porovnanie kriviek hustoty výkonu - napätia článku pre palivové články získané podľa príkladov 3, 4 a 5 a porovnávacieho príkladu 2; A

Obrázok 4 je grafické porovnanie kriviek hustoty výkonu verzus krivky napätia článku pre palivové články získané v súlade s porovnávacími príkladmi 2 a 3.

Podrobný opis vynálezu

Predložený vynález sa týka priamych alkoholových palivových článkov obsahujúcich tuhé kyslé elektrolyty a využívajúcich vnútorný reformovací katalyzátor vo fyzikálnom kontakte so zostavou membránovej elektródy (MEA) určenou na reformovanie alkoholového paliva na výrobu vodíka. Ako bolo uvedené vyššie, výkon palivových článkov, ktoré premieňajú chemickú energiu v alkoholoch priamo na elektrickú energiu, zostáva neuspokojivý v dôsledku kinetických obmedzení spôsobených elektródovými katalyzátormi palivových článkov. Je však dobre známe, že tieto kinetické obmedzenia sa výrazne znížia pri použití vodíkového paliva. V súlade s tým tento vynález využíva reformovací katalyzátor alebo reformátor navrhnutý na reformovanie alkoholového paliva na výrobu vodíka, čím sa znížia alebo odstránia kinetické obmedzenia spojené s alkoholovým palivom. Alkoholové palivá sa reformujú parou podľa nasledujúcich reakčných príkladov:

metanol na vodík: CH30H + H20 -> 3H2 + C02;

Etanol na vodík: C2H5OH+3H20->6H2+2C02.

Reformná reakcia je však vysoko endotermická. Preto, aby sa získala hnacia sila pre reformovaciu reakciu, musí byť reformátor zahrievaný. Množstvo požadovaného tepla je typicky približne 59 kJ na mól metanolu (ekvivalent spálenia približne 0,25 mólu vodíka) a približne 190 kJ na mól etanolu (ekvivalent spálenia približne 0,78 mólu vodíka).

V dôsledku prechodu elektrického prúdu pri prevádzke palivových článkov vzniká odpadové teplo, ktorého efektívne odvádzanie je problematické. Avšak kvôli vytváraniu tohto odpadového tepla je umiestnenie reformátora priamo vedľa palivového článku prirodzenou voľbou. Táto konfigurácia umožňuje privádzanie vodíka z reformátora do palivového článku a ochladzovanie palivového článku a umožňuje palivovému článku ohrievať reformátor a poskytovať hnaciu silu pre reakcie v ňom. Táto konfigurácia sa používa v palivových článkoch s roztaveným uhličitanom a na reakcie reformovania metánu, ktoré prebiehajú pri približne 650 °C. Reakcie reformovania alkoholu však vo všeobecnosti prebiehajú pri teplotách v rozsahu od asi 200 °C do asi 350 °C a žiadny vhodný palivový článok využívajúci reformovanie alkoholom ešte nebol vyvinutý.

Predložený vynález sa týka takéhoto palivového článku využívajúceho alkoholové reformovanie. Ako je znázornené na OBRÁZKU 1, palivový článok 10 podľa tohto vynálezu vo všeobecnosti obsahuje prvý zberač prúdu/plynovú difúznu vrstvu 12, anódu 12a, druhý zberač prúdu/plynovú difúznu vrstvu 14, katódu 14a, elektrolyt 16, a katalyzátor vnútorného reformovania 18. Katalyzátor vnútorného reformovania 18 umiestnený vedľa anódy 12a. Konkrétnejšie, reformovací katalyzátor 18 je umiestnený medzi prvou vrstvou 12 na difúziu plynu a anódou 12a. Môže sa použiť akýkoľvek známy vhodný reformovací katalyzátor 18. Neobmedzujúce príklady vhodných reformovacích katalyzátorov zahŕňajú zmesi oxidov Cu-Zn-Al, zmesi oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesi oxidov Cu-Zn-Al-Zr.

Je možné použiť akékoľvek alkoholové palivo, ako je metanol, etanol a propanol. Okrem toho sa ako palivo môže použiť dimetyléter.

Historicky sa táto konfigurácia nepovažovala za možnú pre alkoholové palivové články kvôli endotermickej povahe reformovacej reakcie a citlivosti elektrolytu na teplo. Typické alkoholové palivové články používajú membrány z polymérneho elektrolytu, ktoré nedokážu odolať teplu potrebnému na poskytnutie hnacej sily pre reformovací katalyzátor. Elektrolyty používané v palivových článkoch podľa tohto vynálezu však obsahujú tuhé kyslé elektrolyty, ako sú tie, ktoré sú opísané v U.S. patente č. 10/139043 s názvom PROtónová vodivá membrána s použitím pevnej kyseliny, ktorej celý obsah je tu tiež zahrnutý formou odkazu. Jedným neobmedzujúcim príkladom tuhej kyseliny vhodnej na použitie ako elektrolyt v tomto vynáleze je CsH2P04. Pevné kyslé elektrolyty používané v palivových článkoch podľa tohto vynálezu môžu odolávať oveľa vyšším teplotám, čo umožňuje umiestniť reformovací katalyzátor priamo vedľa anódy. Okrem toho endotermická reformovacia reakcia spotrebúva teplo generované exotermickými reakciami v palivovom článku, čím sa vytvára tepelne vyvážený systém.

Tieto tuhé kyseliny sa používajú vo svojich superprotických fázach a pôsobia ako protón-vodivé membrány v teplotnom rozsahu od asi 100 °C do asi 350 °C. Horná hranica tohto teplotného rozsahu je ideálna na reformovanie metanolu. Na zabezpečenie generovania tepla dostatočného na poskytnutie hnacej sily pre reformovaciu reakciu a na zaistenie protónovej vodivosti tuhého kyslého elektrolytu sa palivový článok podľa tohto vynálezu výhodne prevádzkuje pri teplotách v rozsahu od približne 100 °C do približne 500 °C. Je však výhodnejšie prevádzkovať palivový článok pri teplotách v rozsahu od približne 200 °C do približne 350 °C. Okrem výrazného zlepšenia výkonu alkoholových palivových článkov môžu relatívne vysoké prevádzkové teploty alkoholových palivových článkov podľa vynálezu umožniť výmenu drahých kovových katalyzátorov, ako sú Pt/Ru a Pt na anóde a katóde, za menej drahé katalyzátorové materiály.

Nasledujúce príklady a porovnávacie príklady ilustrujú vynikajúce výkonové charakteristiky alkoholových palivových článkov podľa vynálezu. Tieto príklady sú však prezentované len na účely ilustrácie a nemali by byť chápané ako obmedzenie vynálezu na tieto príklady.

Príklad 1: Metanolový palivový článok

13 mg/cm2 Pt/Ru sa použilo ako anodický elektrokatalyzátor. Ako katalyzátor vnútorného reformovania sa použil Cu (30 % hm.) - Zn (20 % hm.) - Al. Ako katódový elektrokatalyzátor sa použilo 15 mg/cm2 Pt. Ako elektrolyt bola použitá membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 160 μm. Zmesi metanolu a vody premenené na paru sa privádzali do anódového priestoru prietokovou rýchlosťou 100 μl/min. Na katódu sa privádzal 30 % zvlhčený kyslík prietokovou rýchlosťou 50 cm3/min (štandardná teplota a tlak). Pomer metanol:voda bol 25:75. Teplota prvku bola nastavená na 260 °C.

Príklad 2: Etanolový palivový článok

13 mg/cm2 Pt/Ru sa použilo ako anodický elektrokatalyzátor. Ako katalyzátor vnútorného reformovania sa použil Cu (30 % hm.) - Zn (20 % hm.) - Al. Ako katódový elektrokatalyzátor sa použilo 15 mg/cm2 Pt. Ako elektrolyt bola použitá membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 160 μm. Zmesi etanolu a vody premenené na paru sa privádzali do anódového priestoru prietokovou rýchlosťou 100 ul/min. Na katódu sa privádzal 30 % zvlhčený kyslík prietokovou rýchlosťou 50 cm3/min (štandardná teplota a tlak). Pomer etanol:voda bol 15:85. Teplota prvku bola nastavená na 260 °C.

Porovnávací príklad 1 - Palivový článok s použitím čistého H2

13 mg/cm2 Pt/Ru sa použilo ako anodický elektrokatalyzátor. Ako katódový elektrokatalyzátor sa použilo 15 mg/cm2 Pt. Ako elektrolyt bola použitá membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 160 μm. Do anódového priestoru sa privádzal 3 % zvlhčený vodík s prietokovou rýchlosťou 100 ul/min. Na katódu sa privádzal 30 % zvlhčený kyslík prietokovou rýchlosťou 50 cm3/min (štandardná teplota a tlak). Teplota prvku bola nastavená na 260 °C.

Obrázok 2 znázorňuje krivky vzťahu medzi špecifickým výkonom a napätím článku pre príklady 1 a 2 a porovnávací príklad 1. Ako je znázornené, pre metanolový palivový článok (príklad 1) sa dosiahne špičková hustota výkonu 69 mW/cm2, napr. etanolový (príklad 2) palivový článok dosahuje špičkovú hustotu výkonu 53 mW/cm2 a pre vodíkový palivový článok (porovnávací príklad 1) je dosiahnutá špičková výkonová hustota 80

mW/cm2. Tieto výsledky ukazujú, že palivové články získané podľa príkladu 1 a porovnávacieho príkladu 1 sú veľmi podobné, čo naznačuje, že metanolový palivový článok s reformátorom vykazuje výkon takmer taký dobrý ako výkon vodíkového palivového článku, čo je významné zlepšenie. Ako je však ukázané v nasledujúcich príkladoch a porovnávacích príkladoch, zmenšením hrúbky elektrolytu sa dosiahne dodatočné zvýšenie hustoty výkonu.

Palivový článok bol vyrobený nanášaním CsH2P04 v suspenzii na porézny nosič z nehrdzavejúcej ocele, ktorý slúžil ako vrstva na difúziu plynu aj ako zberač prúdu. Vrstva katódového elektrokatalyzátora bola najprv nanesená na vrstvu difúzie plynu a potom zhutnená pred nanesením vrstvy elektrolytu. Potom bola nanesená vrstva anódového elektrokatalyzátora, po ktorej nasledovalo umiestnenie druhej plynovej difúznej elektródy ako finálnej vrstvy konštrukcie.

Ako anódová elektróda sa použila zmes CsH2P04, Pt (50 % hmotnostných atómov Ru, Pt (40 % hmotnostných) - Ru (20 % hmotnostných) nanesená na uhlíku (40 % hmotnostných) a naftalén. Pomer zložiek v zmesi CsH2P04:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftalén bol 3:3:1:0,5 (hmotn.). Zmes sa použila v celkovom množstve 50 mg. Záťaže Pt a Ru boli 5,6 mg/cm2 a 2,9 mg/cm2. Plocha anódovej elektródy bola 1,74 cm2.

Ako katódová elektróda bola použitá zmes CsH2P04, Pt, Pt (50 % hmotn.) nanesená na C (50 % hmotn.) a naftalénu. Pomer zložiek v zmesi CsH2P04:Pt:Pt-C:naftalén bol 3:3:1:1 (hmotn.). Zmes sa použila v celkovom množstve 50 mg. Záťaže Pt boli 7,7 mg/cm2. Oblasť katódy bola 2,3-2,9 cm1.

Ako reformovací katalyzátor bol použitý CuO (30 hm. %) - ZnO (20 hm. %) - Al 2 O 3, to znamená CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . Reformovací katalyzátor sa pripravil metódou koprecipitácie s použitím roztoku dusičnanu medi, zinku a hlinitého (celková koncentrácia kovu bola 1 mol/l) a vodného roztoku uhličitanov sodných (1,1 mol/l). Zrazenina sa premyla deionizovanou vodou, prefiltrovala a sušila na vzduchu pri 120 °C počas 12 hodín. Vysušený prášok v množstve 1 g sa ľahko stlačil na hrúbku 3,1 mm a priemer 15,6 mm a potom sa kalcinoval pri 350 °C počas 2 hodín.

Ako elektrolyt bola použitá membrána CsH 2 PO 4 s hrúbkou 47 μm.

Roztok metanol-voda (43 % obj. alebo 37 % hmotn. alebo 25 % mol. alebo 1,85 M metanol) sa privádzal cez sklenenú odparku (200 °C) pri prietokovej rýchlosti 135 ul/min. Teplota prvku bola nastavená na 260 °C.

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie s tým rozdielom, že nie zmes metanolu a vody, ale zmes etanolu a vody (36 % obj. alebo 31 % hmotn.) sa privádzala cez výparník (200 °C) pri prietok 114 μl/min alebo 15 mol.% alebo 0,98 M etanol).

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie s tým rozdielom, že pri prietoku 100 μl/min sa namiesto zmesi metanol-voda použila vodka (Absolut Vodka, Švédsko) (40 % obj. alebo 34 % hm., alebo 17 % mol.) bol dodaný (etanol).

Porovnávací príklad 2

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie s tým rozdielom, že namiesto zmesi metanol-voda sa použil vysušený vodík v množstve 100 štandardných kubických centimetrov za minútu, zvlhčený horúcou vodou (70 °C).

Porovnávací príklad 3

Palivový článok bol pripravený podľa príkladu 3 vyššie, s tým rozdielom, že nebol použitý žiadny reformovací katalyzátor a teplota článku bola nastavená na 240 °C.

Porovnávací príklad 4

Palivový článok bol pripravený podľa porovnávacieho príkladu 2, s tým rozdielom, že teplota článku bola nastavená na 240 °C.

Obrázok 3 ukazuje krivky hustoty výkonu v závislosti od napätia článku pre príklady 3, 4 a 5 a porovnávací príklad 2. Ako je znázornené, metanolový palivový článok (príklad 3) dosiahol špičkovú hustotu výkonu 224 mW/cm2, čo predstavuje významné zvýšenie výkonu hustota v porovnaní s palivovým článkom získaným podľa príkladu 1 a s oveľa hustejším elektrolytom. Tento metanolový palivový článok tiež demonštruje dramatické zlepšenie výkonu v porovnaní s metanolovými palivovými článkami, ktoré nepoužívajú vnútorný reformátor, ako je lepšie znázornené na obrázku 4. Etanolový palivový článok (príklad 4) tiež demonštruje zvýšenú hustotu výkonu a napätie článku v porovnaní s etanolový palivový článok s hrubšou elektrolytovou membránou (príklad 2). Ukázalo sa však, že metanolový palivový článok (príklad 3) funguje lepšie ako etanolový palivový článok (príklad 4). Pre vodkový palivový článok (príklad 5) sa dosiahnu hustoty výkonu porovnateľné s hustotou etanolového palivového článku. Ako je znázornené na obrázku 3, metanolový palivový článok (príklad 3) vykazuje výkonové charakteristiky približne také dobré ako vodíkový palivový článok (porovnávací príklad 2).

Obrázok 4 ukazuje krivky hustoty výkonu v závislosti od napätia článku pre porovnávacie príklady 3 a 4. Ako je znázornené, metanolový palivový článok bez reformovania (porovnávací príklad 3) dosahuje hustoty výkonu, ktoré sú výrazne nižšie ako hustoty dosiahnuté pre vodíkový palivový článok (porovnávací príklad 4). Okrem toho obrázky 2, 3 a 4 ukazujú, že v porovnaní s metanolovým palivovým článkom bez reformátora (porovnávací príklad 3) sa dosiahli výrazne vyššie hustoty výkonu pre metanolové palivové články s reformátormi (príklady 1 a 3).

Vyššie uvedený opis bol prezentovaný na predstavenie aktuálne výhodných uskutočnení vynálezu. Odborníci v príslušnom odbore a technológii, ktorých sa tento vynález týka, pochopia, že je možné vykonať zmeny a modifikácie opísaných uskutočnení bez toho, aby sa výrazne odchýlili od princípov, rozsahu a ducha tohto vynálezu. V súlade s tým by sa predchádzajúci opis nemal chápať ako odkaz len na opísané špecifické uskutočnenia, ale skôr by sa mal chápať tak, že je v súlade s nasledujúcimi nárokmi a podporuje ich, ktoré obsahujú úplný a najobjektívnejší rozsah vynálezu.

1. Palivový článok obsahujúci: anódovú elektrokatalytickú vrstvu, katódovú elektrokatalytickú vrstvu, vrstvu elektrolytu obsahujúcu pevnú kyselinu, plynovú difúznu vrstvu a vnútorný reformovací katalyzátor umiestnený v blízkosti anódovej elektrokatalytickej vrstvy tak, že vnútorný reformovací katalyzátor je umiestnený medzi anódovou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou na difúziu plynu a je vo fyzickom kontakte s anódovou elektrokatalytickou vrstvou.

2. Palivový článok podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že pevný kyslý elektrolyt obsahuje CsH2P04.

3. Palivový článok podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c i s a tým, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidu Cu-Zn-Al, zmesí oxidu Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidu Cu-Zn-Al-Zr.

4. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:





dodávka paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu od približne 100 °C do približne 500 °C.

5. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že palivom je alkohol.

6. Spôsob podľa nároku 4, kde palivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z metanolu, etanolu, propanolu a dimetyléteru.

7. Spôsob podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že palivový článok je prevádzkovaný pri teplote v rozsahu od asi 200 °C do asi 350 °C.

8. Spôsob podľa nároku 4, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidov Cu-Zn-Al, zmesí oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidov Cu-Zn-Al-Zr.

9. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že elektrolyt obsahuje pevnú kyselinu.

10. Spôsob podľa nároku 9, kde pevná kyselina obsahuje CsH2P04.

11. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:
vytvorenie anódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie katódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie vrstvy elektrolytu obsahujúcej pevnú kyselinu;
vytvorenie plynovej difúznej vrstvy a
vytvorenie katalyzátora vnútorného reformovania priľahlého k anodickej elektrokatalytickej vrstve tak, že katalyzátor vnútorného reformovania je umiestnený medzi anodickou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúzie plynu a je vo fyzikálnom kontakte s anodickou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu od približne 200 °C do približne 350 °C.

12. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že palivom je alkohol.

13. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že palivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z metanolu, etanolu, propanolu a dimetyléteru.

14. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesi oxidov Cu-Zn-Al, zmesí oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidov Cu-Zn-Al-Zr. .

15. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa tým, že elektrolyt obsahuje pevnú kyselinu.

16. Spôsob podľa nároku 15, kde pevná kyselina obsahuje CsH2P04.

17. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:
vytvorenie anódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie katódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie vrstvy elektrolytu obsahujúcej pevnú kyselinu;
vytvorenie plynovej difúznej vrstvy a
vytvorenie katalyzátora vnútorného reformovania priľahlého k anodickej elektrokatalytickej vrstve tak, že katalyzátor vnútorného reformovania je umiestnený medzi anodickou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúzie plynu a je vo fyzikálnom kontakte s anodickou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka alkoholového paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu od približne 100 °C do približne 500 °C.

18. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že palivo je vybrané zo skupiny pozostávajúcej z metanolu, etanolu, propanolu a dimetyléteru.

19. Spôsob podľa nároku 17, vyznačujúci sa tým, že palivový článok sa prevádzkuje pri teplote v rozsahu od asi 200 °C do asi 350 °C.

20. Spôsob podľa nároku 17, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že reformovací katalyzátor je vybraný zo skupiny pozostávajúcej zo zmesí oxidov Cu-Zn-Al, zmesí oxidov Cu-Co-Zn-Al a zmesí oxidov Cu-Zn-Al-Zr.

21. Spôsob podľa nároku 17, kde pevný kyslý elektrolyt obsahuje CsH2P04.

22. Spôsob prevádzky palivového článku vrátane:
vytvorenie anódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie katódovej elektrokatalytickej vrstvy;
vytvorenie vrstvy elektrolytu obsahujúcej pevnú kyselinu;
vytvorenie plynovej difúznej vrstvy a
vytvorenie katalyzátora vnútorného reformovania priľahlého k anodickej elektrokatalytickej vrstve tak, že katalyzátor vnútorného reformovania je umiestnený medzi anodickou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúzie plynu a je vo fyzikálnom kontakte s anodickou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka alkoholového paliva; a prevádzkovanie palivového článku pri teplote v rozsahu od približne 200 °C do približne 350 °C.

Vynález sa týka priamo pôsobiacich alkoholových palivových článkov využívajúcich tuhé kyslé elektrolyty a katalyzátory vnútorného reformovania

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

DIY palivový článok doma

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

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

Čo sú palivové články?

Video: Dokument, palivové články pre dopravu: minulosť, prítomnosť, budúcnosť

Palivové články zaujímajú automobilky a zaujímajú sa o ne aj konštruktéri vesmírnych lodí. V roku 1965 ich dokonca otestovala Amerika na vesmírnej lodi Gemini 5 vypustenej do vesmíru a neskôr aj na Apollo. Milióny dolárov sa do výskumu palivových článkov investujú aj dnes, keď sú problémy spojené so znečisťovaním životného prostredia a rastúcimi emisiami skleníkových plynov vznikajúcich pri spaľovaní fosílnych palív, ktorých zásoby tiež nie sú nekonečné.

Palivový článok, často nazývaný elektrochemický generátor, funguje spôsobom opísaným nižšie.

Byť, podobne ako akumulátory a batérie, galvanickým prvkom, avšak s tým rozdielom, že účinné látky sú v ňom uložené oddelene. Dodávajú sa k elektródam tak, ako sa používajú. Prírodné palivo alebo akákoľvek látka z neho získaná horí na zápornej elektróde, ktorá môže byť plynná (napríklad vodík a oxid uhoľnatý) alebo kvapalná, napríklad alkoholy. Kyslík zvyčajne reaguje na kladnej elektróde.

Ale zdanlivo jednoduchý princíp fungovania nie je ľahké preniesť do reality.

DIY palivový článok

Žiaľ, nemáme k dispozícii fotografie, ako by mal tento palivový prvok vyzerať, spoliehame sa na vašu fantáziu.

Palivový článok s nízkou spotrebou energie si môžete vyrobiť vlastnými rukami aj v školskom laboratóriu. Potrebujete zásobiť starú plynovú masku, niekoľko kusov plexiskla, alkálie a vodný roztok etylalkoholu (jednoduchšie vodka), ktorý bude slúžiť ako „palivo“ pre palivový článok.

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

Teraz musíte vo vonkajšej stene vyvŕtať otvor, do ktorého musíte cez gumovú zátku vložiť sklenenú odtokovú trubicu s priemerom 5-6 centimetrov.

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

Teraz nalejeme aktívne uhlie z plynovej masky do druhej a štvrtej priehradky (medzi prvú prepážku a druhú, ako aj tretiu a štvrtú), ktoré budú fungovať ako elektródy. Aby sa uhlie nevysypalo cez otvory, môžete ho umiestniť do nylonovej tkaniny (vhodné sú dámske nylonové pančuchy).

Palivo bude cirkulovať v prvej komore a v piatej by mal byť dodávateľ kyslíka - vzduch. Medzi elektródami bude elektrolyt a aby sa zabránilo jeho úniku do vzduchovej komory, pred nasypaním uhlia do štvrtej komory na vzduchový elektrolyt ho musíte namočiť roztokom parafínu v benzíne (pomer 2 gramov parafínu na pol pohára benzínu). Na vrstvu uhlia musíte položiť (miernym stlačením) medené platne, ku ktorým sú drôty spájkované. Prostredníctvom nich bude prúd odvádzaný z elektród.

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

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

Aby sa zabezpečila väčšia sila, vedci na tomto probléme pracujú už dlho. Aktívna oceľ vo vývoji obsahuje metanolové a etanolové palivové články. Ale, žiaľ, ešte neboli zavedené do praxe.

Prečo je palivový článok zvolený ako alternatívny zdroj energie

Ako alternatívny zdroj energie bol zvolený palivový článok, keďže konečným produktom spaľovania vodíka v ňom je voda. Jediným problémom je nájsť lacný a efektívny spôsob výroby vodíka. Obrovské prostriedky investované do vývoja vodíkových generátorov a palivových článkov nemôžu nepriniesť svoje ovocie, a tak je technologický prelom a ich reálne využitie v každodennom živote len otázkou času.

Už dnes monštrá automobilového priemyslu: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard predvádzajú autobusy a autá, ktoré jazdia na palivové články, ktorých výkon dosahuje 50 kW. Ale problémy spojené s ich bezpečnosťou, spoľahlivosťou a cenou ešte neboli vyriešené. Ako už bolo spomenuté, na rozdiel od tradičných zdrojov energie – batérií a akumulátorov, sú v tomto prípade okysličovadlo a palivo dodávané zvonku a palivový článok je len prostredníkom v prebiehajúcej reakcii horenia paliva a premene uvoľnenej energie na elektrickú energiu. „Spaľovanie“ nastáva iba vtedy, ak prvok dodáva prúd do záťaže, ako dieselový elektrický generátor, ale bez generátora a dieselového motora a tiež bez hluku, dymu a prehrievania. Zároveň je účinnosť oveľa vyššia, pretože neexistujú žiadne medziľahlé mechanizmy.

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

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

Pridajte sa k nám

Palivový článok je zariadenie, ktoré efektívne produkuje teplo a jednosmerný prúd prostredníctvom elektrochemickej reakcie a využíva palivo bohaté na vodík. Princíp fungovania je podobný ako pri batérii. Štrukturálne je palivový článok reprezentovaný elektrolytom. Čo je na ňom také zvláštne? Na rozdiel od batérií vodíkové palivové články neuchovávajú elektrickú energiu, nevyžadujú elektrickú energiu na dobíjanie a nevybíjajú sa. Články pokračujú vo výrobe elektriny, pokiaľ majú zásobu vzduchu a paliva.

Zvláštnosti

Rozdiel medzi palivovými článkami a inými generátormi elektriny je v tom, že počas prevádzky nespaľujú palivo. Vďaka tejto vlastnosti nevyžadujú vysokotlakové rotory a nevydávajú hlasný hluk ani vibrácie. Elektrina v palivových článkoch vzniká tichou elektrochemickou reakciou. Chemická energia paliva sa v takýchto zariadeniach premieňa priamo na vodu, teplo a elektrinu.

Palivové články sú vysoko účinné a neprodukujú veľké množstvo skleníkových plynov. Emisným produktom počas prevádzky článku je malé množstvo vody vo forme pary a oxidu uhličitého, ktoré sa neuvoľňuje, ak sa ako palivo použije čistý vodík.

História vzhľadu

V 50. a 60. rokoch 20. storočia vyvolala vznikajúca potreba zdrojov energie v NASA pre dlhodobé vesmírne misie jednu z najdôležitejších výziev pre palivové články, ktoré v tom čase existovali. Alkalické články využívajú ako palivo kyslík a vodík, ktoré sa elektrochemickou reakciou premieňajú na vedľajšie produkty užitočné počas vesmírneho letu – elektrinu, vodu a teplo.

Palivové články boli prvýkrát objavené začiatkom 19. storočia - v roku 1838. Zároveň sa objavili prvé informácie o ich účinnosti.

Práce na palivových článkoch s použitím alkalických elektrolytov sa začali koncom tridsiatych rokov minulého storočia. Články s poniklovanými elektródami pod vysokým tlakom boli vynájdené až v roku 1939. Počas druhej svetovej vojny boli pre britské ponorky vyvinuté palivové články pozostávajúce z alkalických článkov s priemerom asi 25 centimetrov.

Záujem o ne vzrástol v 50. – 80. rokoch 20. storočia, charakterizovaný nedostatkom ropného paliva. Krajiny na celom svete sa začali zaoberať problémami znečistenia ovzdušia a životného prostredia v snahe vyvinúť ekologickú technológiu výroby palivových článkov, ktorá v súčasnosti prechádza aktívnym vývojom.

Princíp činnosti

Teplo a elektrina sa vyrábajú v palivových článkoch ako výsledok elektrochemickej reakcie zahŕňajúcej katódu, anódu a elektrolyt.

Katóda a anóda sú oddelené protónom vodivým elektrolytom. Po vstupe kyslíka do katódy a po vstupe vodíka do anódy sa spustí chemická reakcia, ktorej výsledkom je teplo, prúd a voda.

Disociuje na anódovom katalyzátore, čo vedie k strate elektrónov. Vodíkové ióny vstupujú do katódy cez elektrolyt, zatiaľ čo elektróny prechádzajú cez vonkajšiu elektrickú sieť a vytvárajú jednosmerný prúd, ktorý sa používa na napájanie zariadenia. Molekula kyslíka na katódovom katalyzátore sa spojí s elektrónom a prichádzajúcim protónom, čím sa nakoniec vytvorí voda, ktorá je jediným produktom reakcie.

Typy

Výber konkrétneho typu palivového článku závisí od jeho použitia. Všetky palivové články sú rozdelené do dvoch hlavných kategórií – vysokoteplotné a nízkoteplotné. Tie využívajú ako palivo čistý vodík. Takéto zariadenia zvyčajne vyžadujú spracovanie primárneho paliva na čistý vodík. Proces sa vykonáva pomocou špeciálneho zariadenia.

Vysokoteplotné palivové články to nepotrebujú, pretože premieňajú palivo pri zvýšených teplotách, čím eliminujú potrebu vodíkovej infraštruktúry.

Princíp činnosti vodíkových palivových článkov je založený na premene chemickej energie na elektrickú energiu bez neúčinných spaľovacích procesov a premene tepelnej energie na mechanickú energiu.

Všeobecné pojmy

Vodíkové palivové články sú elektrochemické zariadenia, ktoré vyrábajú elektrickú energiu vysoko účinným „studeným“ spaľovaním paliva. Existuje niekoľko typov takýchto zariadení. Za najsľubnejšiu technológiu sa považujú vodíkovo-vzduchové palivové články vybavené protónovou výmennou membránou PEMFC.

Protónovo vodivá polymérová membrána je určená na oddelenie dvoch elektród – katódy a anódy. Každý z nich je reprezentovaný uhlíkovou matricou, na ktorej je uložený katalyzátor. disociuje na anódovom katalyzátore a daruje elektróny. Katióny sú vedené ku katóde cez membránu, ale elektróny sa prenášajú do vonkajšieho okruhu, pretože membrána nie je navrhnutá na prenos elektrónov.

Molekula kyslíka na katódovom katalyzátore sa spojí s elektrónom z elektrického obvodu a prichádzajúcim protónom, čím sa nakoniec vytvorí voda, ktorá je jediným produktom reakcie.

Vodíkové palivové články sa používajú na výrobu membránovo-elektródových jednotiek, ktoré pôsobia ako hlavné generujúce prvky energetického systému.

Výhody vodíkových palivových článkov

Medzi nimi sú:

• Zvýšená merná tepelná kapacita.
• Široký rozsah prevádzkových teplôt.
• Žiadne vibrácie, hluk alebo tepelné škvrny.
• Spoľahlivosť studeného štartu.
• Bez samovybíjania, čo zaisťuje dlhodobé skladovanie energie.
• Neobmedzená autonómia vďaka možnosti nastavenia energetickej náročnosti zmenou počtu palivových kaziet.
• Poskytovanie prakticky akejkoľvek energetickej náročnosti zmenou kapacity skladovania vodíka.
• Dlhá životnosť.
• Tichá a ekologická prevádzka.
• Vysoká úroveň energetickej náročnosti.
• Tolerancia voči cudzím nečistotám vo vodíku.

Oblasť použitia

Vďaka svojej vysokej účinnosti sa vodíkové palivové články používajú v rôznych oblastiach:

• Prenosné nabíjačky.
• Napájacie systémy pre UAV.
• Neprerušiteľné zdroje napájania.
• Ostatné zariadenia a vybavenie.

Perspektívy vodíkovej energie

Široké využitie palivových článkov na báze peroxidu vodíka bude možné až po vytvorení účinnej metódy výroby vodíka. Na uvedenie technológie do aktívneho používania sú potrebné nové nápady, pričom veľké nádeje sa vkladajú do koncepcie biopalivových článkov a nanotechnológie. Niektoré spoločnosti pomerne nedávno vydali účinné katalyzátory na báze rôznych kovov, zároveň sa objavili informácie o vytvorení palivových článkov bez membrán, čo umožnilo výrazne znížiť náklady na výrobu a zjednodušiť konštrukciu takýchto zariadení. Výhody a vlastnosti vodíkových palivových článkov neprevažujú nad ich hlavnou nevýhodou - vysokou cenou, najmä v porovnaní s uhľovodíkovými zariadeniami. Vytvorenie jednej vodíkovej elektrárne si vyžaduje minimálne 500-tisíc dolárov.

Ako zostaviť vodíkový palivový článok?

Palivový článok s nízkou spotrebou energie si môžete vytvoriť sami v bežnom domácom alebo školskom laboratóriu. Použité materiály sú stará plynová maska, kúsky plexiskla, vodný roztok etylalkoholu a alkálie.

Telo vodíkového palivového článku je vytvorené vlastnými rukami z plexiskla s hrúbkou minimálne päť milimetrov. Priečky medzi priehradkami môžu byť tenšie – asi 3 milimetre. Plexisklo sa lepí špeciálnym lepidlom z chloroformu alebo dichlóretánu a hoblín z plexiskla. Všetky práce sa vykonávajú iba pri spustenej kapote.

Vo vonkajšej stene puzdra je vyvŕtaný otvor s priemerom 5-6 centimetrov, do ktorého je vložená gumová zátka a sklenená odtoková trubica. Aktívne uhlie z plynovej masky sa naleje do druhého a štvrtého oddelenia puzdra palivového článku - bude slúžiť ako elektróda.

Palivo bude cirkulovať v prvej komore, zatiaľ čo piata je naplnená vzduchom, z ktorého bude privádzaný kyslík. Elektrolyt naliaty medzi elektródy je impregnovaný roztokom parafínu a benzínu, aby sa zabránilo vniknutiu do vzduchovej komory. Na vrstvu uhlia sú umiestnené medené platne s priletovanými drôtmi, cez ktoré bude odvádzaný prúd.

Zostavený vodíkový palivový článok je nabitý vodkou zriedenou vodou v pomere 1:1. K výslednej zmesi sa opatrne pridá hydroxid draselný: 70 gramov draslíka sa rozpustí v 200 gramoch vody.

Pred testovaním vodíkového palivového článku sa palivo naleje do prvej komory a elektrolyt do tretej. Údaj voltmetra pripojeného k elektródam by sa mal meniť od 0,7 do 0,9 voltu. Na zabezpečenie nepretržitej prevádzky prvku je potrebné odstrániť vyhorené palivo a naliať nové palivo cez gumenú hadicu. Stlačením hadičky sa nastaví rýchlosť prívodu paliva. Takéto vodíkové palivové články, zostavené doma, majú malý výkon.

Dávno sú preč časy, keď sa vidiecky dom dal vykurovať iba jedným spôsobom – spaľovaním dreva alebo uhlia v piecke. Moderné vykurovacie zariadenia využívajú rôzne druhy paliva a zároveň automaticky udržiavajú príjemnú teplotu v našich domoch. Zemný plyn, nafta alebo vykurovací olej, elektrina, solárna energia - to je neúplný zoznam alternatívnych možností. Zdalo by sa - žiť a byť šťastný, ale neustály rast cien paliva a zariadení nás núti pokračovať v hľadaní lacných spôsobov vykurovania. A zároveň nám doslova pod nohami leží nevyčerpateľný zdroj energie – vodík. A dnes budeme hovoriť o tom, ako používať obyčajnú vodu ako palivo zostavením generátora vodíka vlastnými rukami.

Konštrukcia a princíp činnosti generátora vodíka

Továrenský generátor vodíka je pôsobivá jednotka

Použitie vodíka ako paliva na vykurovanie vidieckeho domu je prospešné nielen pre jeho vysokú výhrevnosť, ale aj preto, že pri jeho spaľovaní sa neuvoľňujú žiadne škodlivé látky. Ako si každý pamätá zo školského kurzu chémie, pri oxidácii dvoch atómov vodíka (chemický vzorec H 2 - Hidrogenium) jedným atómom kyslíka vzniká molekula vody. To produkuje trikrát viac tepla ako spaľovanie zemného plynu. Dá sa povedať, že vodík nemá medzi ostatnými zdrojmi energie páru, pretože jeho zásoby na Zemi sú nevyčerpateľné - 2/3 svetových oceánov pozostáva z chemického prvku H2 a v celom vesmíre je tento plyn spolu s héliom hlavným "stavebný materiál". Je tu len jeden problém – na získanie čistého H 2 je potrebné rozdeliť vodu na jednotlivé časti, a to nie je jednoduché. Vedci dlhé roky hľadali spôsob, ako extrahovať vodík a ustálili sa na elektrolýze.

Schéma činnosti laboratórneho elektrolyzéra

Tento spôsob výroby prchavého plynu zahŕňa umiestnenie dvoch kovových platní pripojených k vysokonapäťovému zdroju do vody v krátkej vzdialenosti od seba. Keď sa použije energia, vysoký elektrický potenciál doslova roztrhne molekulu vody a uvoľní dva atómy vodíka (HH) a jeden atóm kyslíka (O). Uvoľnený plyn bol pomenovaný po fyzikovi Yu Brownovi. Jeho vzorec je HHO a jeho výhrevnosť je 121 MJ/kg. Brownov plyn horí otvoreným plameňom a neprodukuje žiadne škodlivé látky. Hlavnou výhodou tejto látky je, že na jej použitie je vhodný bežný kotol na propán alebo metán. Poznamenajme len, že vodík v kombinácii s kyslíkom tvorí výbušnú zmes, takže budú potrebné ďalšie opatrenia.

Schéma inštalácie na výrobu Brownovho plynu

Generátor určený na produkciu Brownovho plynu vo veľkých množstvách obsahuje niekoľko článkov, z ktorých každý obsahuje veľa párov elektródových dosiek. Sú inštalované v utesnenej nádobe, ktorá je vybavená výstupom plynu, koncovkami na pripojenie napájania a hrdlom na plnenie vody. Okrem toho je inštalácia vybavená poistným ventilom a vodným uzáverom. Vďaka nim je eliminovaná možnosť šírenia spätného ohňa. Vodík horí iba na výstupe z horáka a nezapaľuje sa vo všetkých smeroch. Viacnásobné zvýšenie úžitkovej plochy zariadenia umožňuje extrahovať horľavú látku v množstvách dostatočných na rôzne účely vrátane vykurovania obytných priestorov. Ale robiť to pomocou tradičného elektrolyzéra bude nerentabilné. Jednoducho povedané, ak sa elektrina vynaložená na výrobu vodíka priamo použije na vykurovanie domu, bude to oveľa výnosnejšie ako vykurovanie kotla vodíkom.

Stanley Meyer vodíkový palivový článok

Americký vedec Stanley Meyer našiel východisko z tejto situácie. Jeho inštalácia nevyužívala silný elektrický potenciál, ale prúdy určitej frekvencie. Vynález veľkého fyzika spočíval v tom, že molekula vody sa kolísala v čase s meniacimi sa elektrickými impulzmi a vstúpila do rezonancie, ktorá dosiahla silu dostatočnú na to, aby ju rozdelila na jednotlivé atómy. Takýto efekt si vyžiadal desiatky krát menší prúd ako pri prevádzke bežného elektrolýzneho stroja.

Video: Stanley Meyer Fuel Cell

Pre svoj vynález, ktorý mohol vyslobodiť ľudstvo z otroctva ropných magnátov, bol Stanley Meyer zabitý a diela jeho dlhoročného výskumu zmizli bohvie kam. Napriek tomu sa zachovali niektoré poznámky vedca, na základe ktorých sa vynálezcovia v mnohých krajinách po celom svete pokúšajú vybudovať podobné zariadenia. A musím povedať, že nie bez úspechu.

Výhody Brownovho plynu ako zdroja energie

• Voda, z ktorej sa HHO získava, je jednou z najbežnejších látok na našej planéte.
• Pri spaľovaní tohto typu paliva vzniká vodná para, ktorá môže kondenzovať späť na kvapalinu a znovu použiť ako surovinu.
• Pri spaľovaní detonačného plynu nevznikajú žiadne vedľajšie produkty okrem vody. Môžeme povedať, že neexistuje ekologickejší druh paliva ako Brownov plyn.
• Pri prevádzke vodíkového vykurovacieho systému sa vodná para uvoľňuje v množstve dostatočnom na udržanie vlhkosti v miestnosti na príjemnej úrovni.

Možno vás bude zaujímať aj materiál o tom, ako si postaviť vlastný generátor plynu:

Oblasť použitia

Elektrolyzér je dnes rovnako bežné zariadenie ako generátor acetylénu alebo plazmová rezačka. Spočiatku vodíkové generátory používali zvárači, pretože prenášať jednotku s hmotnosťou len niekoľko kilogramov bolo oveľa jednoduchšie ako presúvať obrovské kyslíkové a acetylénové fľaše. Zároveň nebola rozhodujúca vysoká energetická náročnosť jednotiek - všetko bolo určené pohodlnosťou a praktickosťou. V posledných rokoch prekročilo použitie Brownovho plynu obvyklé koncepty vodíka ako paliva pre plynové zváracie stroje. V budúcnosti sú možnosti technológie veľmi široké, keďže využitie HHO má mnoho výhod.

• Zníženie spotreby paliva vo vozidlách. Existujúce automobilové generátory vodíka umožňujú použitie HHO ako prísady do tradičného benzínu, nafty alebo plynu. Vďaka dokonalejšiemu spaľovaniu palivovej zmesi je možné dosiahnuť 20–25 % zníženie spotreby uhľovodíkov.
• Úspora paliva v tepelných elektrárňach využívajúcich plyn, uhlie alebo vykurovací olej.
• Zníženie toxicity a zvýšenie účinnosti starých kotolní.
• Viacnásobné zníženie nákladov na vykurovanie obytných budov vďaka úplnej alebo čiastočnej výmene tradičných palív za hnedý plyn.
• Používanie prenosných výrobných jednotiek HHO pre domáce potreby - varenie, získavanie teplej vody a pod.
• Vývoj zásadne nových, výkonných a ekologických elektrární.

Vodíkový generátor skonštruovaný pomocou technológie „Water Fuel Cell Technology“ S. Meyera (tak sa volalo jeho pojednanie) sa dá kúpiť – ich výrobou sa zaoberá veľa spoločností v USA, Číne, Bulharsku a ďalších krajinách. Navrhujeme vyrobiť vodíkový generátor sami.

Video: Ako správne nainštalovať vodíkové vykurovanie

Čo je potrebné na výrobu palivového článku doma

Pri začatí výroby vodíkového palivového článku je nevyhnutné preštudovať si teóriu procesu tvorby detonačného plynu. To umožní pochopiť, čo sa deje v generátore a pomôže pri nastavovaní a prevádzke zariadenia. Okrem toho sa budete musieť zásobiť potrebnými materiálmi, z ktorých väčšinu ľahko zoženiete v obchodnom reťazci. Pokiaľ ide o nákresy a pokyny, pokúsime sa tieto problémy pokryť v plnom rozsahu.

Návrh generátora vodíka: schémy a výkresy

Domáca inštalácia na výrobu Brownovho plynu pozostáva z reaktora s inštalovanými elektródami, PWM generátora na ich napájanie, vodného uzáveru a spojovacích drôtov a hadíc. V súčasnosti existuje niekoľko návrhov elektrolyzérov, ktoré ako elektródy používajú dosky alebo rúrky. Okrem toho môžete na internete nájsť inštaláciu takzvanej suchej elektrolýzy. Na rozdiel od tradičného dizajnu nie sú v takomto zariadení dosky inštalované v nádobe s vodou, ale kvapalina sa dodáva do medzery medzi plochými elektródami. Odmietnutie tradičnej schémy umožňuje výrazne zmenšiť rozmery palivového článku.

Elektrický obvod PWM regulátora Schéma jedného páru elektród použitých v Meyerovom palivovom článku Schéma Meyerovho článku Elektrická schéma PWM regulátora Nákres palivového článku
Nákres palivového článku Elektrický obvod PWM regulátora Elektrický obvod PWM regulátora

Vo svojej práci môžete použiť výkresy a schémy pracovných elektrolyzérov, ktoré je možné prispôsobiť vašim vlastným podmienkam.

Výber materiálov na stavbu vodíkového generátora

Na výrobu palivového článku nie sú potrebné prakticky žiadne špecifické materiály. Jediná vec, ktorá môže byť náročná, sú elektródy. Čo si teda treba pripraviť pred začatím práce?

1. Ak je dizajn, ktorý si vyberiete, generátor „mokrého“ typu, potom budete potrebovať utesnenú nádobu na vodu, ktorá bude slúžiť aj ako nádoba reaktora. Môžete si vziať akúkoľvek vhodnú nádobu, hlavnou požiadavkou je dostatočná pevnosť a plynotesnosť. Samozrejme, pri použití kovových dosiek ako elektród je lepšie použiť obdĺžnikovú štruktúru, napríklad starostlivo utesnené puzdro zo starej autobatérie (čierne). Ak sa na získanie HHO používajú rúrky, potom bude vhodná aj priestranná nádoba z domáceho filtra na čistenie vody. Najlepšou možnosťou by bolo vyrobiť kryt generátora z nehrdzavejúcej ocele, napríklad triedy 304 SSL.

   Zostava elektród pre generátor vodíka „mokrého“ typu

   Pri výbere „suchého“ palivového článku budete potrebovať dosku z plexiskla alebo iného priehľadného plastu do hrúbky 10 mm a tesniace krúžky z technického silikónu.

2. Rúry alebo dosky z nehrdzavejúcej ocele. Samozrejme, môžete si vziať obyčajný „železný“ kov, ale počas prevádzky elektrolyzéra jednoduché uhlíkové železo rýchlo koroduje a elektródy sa budú musieť často meniť. Použitie kovu s vysokým obsahom uhlíka legovaného chrómom umožní generátoru pracovať dlhú dobu. Remeselníci, ktorí sa podieľajú na výrobe palivových článkov, dlho vyberali materiál pre elektródy a usadili sa na nehrdzavejúcej oceli 316 L. Mimochodom, ak sú v konštrukcii použité rúrky z tejto zliatiny, ich priemer musí byť zvolený v takom tak, že pri montáži jednej časti do druhej bola medzi nimi medzera nie väčšia ako 1 mm. Pre perfekcionistov tu sú presné rozmery:
   - vonkajší priemer rúry - 25,317 mm;
   - priemer vnútornej rúrky závisí od hrúbky vonkajšej. V každom prípade musí poskytnúť medzeru medzi týmito prvkami rovnajúcu sa 0,67 mm.

   Jeho výkon závisí od toho, ako presne sú zvolené parametre častí generátora vodíka.

3. PWM generátor. Správne zostavený elektrický obvod vám umožní regulovať frekvenciu prúdu v požadovaných medziach a to priamo súvisí s výskytom rezonančných javov. Inými slovami, aby sa vývoj vodíka mohol začať, bude potrebné zvoliť parametre napájacieho napätia, preto sa montáži generátora PWM venuje osobitná pozornosť. Ak poznáte spájkovačku a dokážete rozlíšiť tranzistor od diódy, môžete si elektrickú časť vyrobiť sami. V opačnom prípade sa môžete obrátiť na známeho elektrotechnika alebo si objednať výrobu spínaného zdroja v opravovni elektronických zariadení.
   

   Spínaný zdroj určený na pripojenie k palivovému článku je možné zakúpiť online. Vyrábajú ich malé súkromné ​​firmy u nás aj v zahraničí.

4. Elektrické vodiče na pripojenie. Postačia vodiče s prierezom 2 metre štvorcové. mm.
5. Bubbler. Toto vymyslené meno dali remeselníci najbežnejšiemu vodnému tuleňu. Môžete na to použiť akúkoľvek uzavretú nádobu. V ideálnom prípade by mal byť vybavený tesne priliehajúcim vekom, ktoré sa v prípade vznietenia plynu vo vnútri okamžite odtrhne. Okrem toho sa odporúča inštalovať medzi elektrolyzér a prebublávačku vypínacie zariadenie, ktoré zabráni návratu HHO do článku.

   Bubbler dizajn

6. Hadice a armatúry. Na pripojenie generátora HHO budete potrebovať priehľadnú plastovú rúrku, vstupné a výstupné armatúry a svorky.
7. Matice, skrutky a čapy. Budú potrebné na pripevnenie častí elektrolyzéra k sebe.
8. Reakčný katalyzátor. Aby proces tvorby HHO prebiehal intenzívnejšie, pridáva sa do reaktora hydroxid draselný KOH. Táto látka sa dá ľahko kúpiť online. Prvýkrát nebude stačiť viac ako 1 kg prášku.
9. Automobilový silikón alebo iný tmel.

Upozorňujeme, že leštené rúrky sa neodporúčajú. Naopak, odborníci odporúčajú ošetriť diely brúsnym papierom, aby získali matný povrch. V budúcnosti to pomôže zvýšiť produktivitu inštalácie.

Nástroje, ktoré budú potrebné počas pracovného procesu

Predtým, ako začnete stavať palivový článok, pripravte si nasledujúce nástroje:

• Píla na kov;
• vŕtačka so sadou vrtákov;
• sada kľúčov;
• ploché a drážkové skrutkovače;
• uhlová brúska („brúska“) s namontovaným kruhom na rezanie kovu;
• multimeter a prietokomer;
• pravítko;
• marker.

Navyše, ak si PWM generátor postavíte sami, budete na jeho nastavenie potrebovať osciloskop a merač frekvencie. V rámci tohto článku nebudeme túto otázku nastoľovať, pretože výrobu a konfiguráciu spínacieho zdroja najlepšie zvážia špecialisti na špecializovaných fórach.

Venujte pozornosť článku, ktorý ukazuje ďalšie zdroje energie, ktoré možno použiť na vykurovanie vášho domu:

Pokyny: ako vyrobiť vodíkový generátor vlastnými rukami

Na výrobu palivového článku použijeme najmodernejší obvod „suchého“ elektrolyzéra s elektródami vo forme platní z nehrdzavejúcej ocele. Pokyny uvedené nižšie demonštrujú proces vytvárania generátora vodíka od „A“ po „Z“, takže je lepšie dodržiavať poradie akcií.

Schéma palivového článku suchého typu

1. Výroba tela palivového článku. Bočné steny rámu sú dosky zo sololitu alebo plexiskla, narezané na veľkosť budúceho generátora. Musíte pochopiť, že veľkosť zariadenia priamo ovplyvňuje jeho výkon, avšak náklady na získanie HHO budú vyššie. Na výrobu palivového článku budú optimálne rozmery zariadenia od 150x150 mm do 250x250 mm.
2. V každej doske je vyvŕtaný otvor pre vstupnú (výstupnú) armatúru pre vodu. Okrem toho bude potrebné vyvŕtať bočnú stenu pre výstup plynu a štyri otvory v rohoch na vzájomné spojenie prvkov reaktora.

   Výroba bočných stien

3. Pomocou uhlovej brúsky sa elektródové dosky odrežú z plechu nehrdzavejúcej ocele 316L. Ich rozmery by mali byť o 10–20 mm menšie ako rozmery bočných stien. Navyše pri výrobe každého dielu je potrebné nechať v jednom z rohov malú kontaktnú podložku. To bude potrebné na pripojenie záporných a kladných elektród do skupín pred ich pripojením k napájaciemu napätiu.
4. Pre získanie dostatočného množstva HHO je nutné nerez ošetriť z oboch strán jemným brúsnym papierom.
5. V každej z platní sú vyvŕtané dva otvory: vrtákom s priemerom 6 - 7 mm - na prívod vody do priestoru medzi elektródami a s hrúbkou 8 - 10 mm - na odstránenie Brownovho plynu. Body vŕtania sa vypočítavajú s prihliadnutím na miesta inštalácie príslušných vstupných a výstupných potrubí.

   Táto sada dielov musí byť pripravená pred montážou palivového článku

6. Začnú montovať generátor. Na tento účel sú v stenách sololitu inštalované armatúry na prívod vody a výstup plynu. Miesta, kde sú spojené, sú starostlivo utesnené pomocou automobilového alebo inštalatérskeho tmelu.
7. Potom sa do jednej z priehľadných častí tela nainštalujú kolíky, po ktorých začnú ukladať elektródy.

   Ukladanie elektród začína tesniacim krúžkom

   Upozornenie: rovina doskových elektród musí byť plochá, inak sa prvky s opačným nábojom dotknú a spôsobia skrat!

8. Dosky z nehrdzavejúcej ocele sú oddelené od bočných plôch reaktora pomocou O-krúžkov, ktoré môžu byť vyrobené zo silikónu, paronitu alebo iného materiálu. Dôležité je len to, aby jeho hrúbka nepresiahla 1 mm. Rovnaké časti sa používajú ako rozpery medzi platňami. Počas procesu inštalácie sa uistite, že kontaktné podložky záporných a kladných elektród sú zoskupené na rôznych stranách generátora.

   Pri montáži platní je dôležité správne orientovať výstupné otvory

9. Po položení poslednej dosky sa nainštaluje tesniaci krúžok, po ktorom sa generátor uzavrie druhou stenou sololitu a samotná konštrukcia sa pripevní podložkami a maticami. Pri vykonávaní tejto práce sa uistite, že je utiahnutie rovnomerné a že medzi doskami nie sú žiadne deformácie.

   Pri konečnom uťahovaní nezabudnite skontrolovať rovnobežnosť bočných stien. Vyhnete sa tak deformáciám

10. Pomocou polyetylénových hadíc je generátor spojený s nádobou s vodou a prebublávačkou.
11. Kontaktné podložky elektród sú navzájom spojené akýmkoľvek spôsobom, po ktorom sú k nim pripojené napájacie vodiče.

    Zložením niekoľkých palivových článkov a ich paralelným zapojením získate dostatočné množstvo hnedého plynu

12. Palivový článok je napájaný napätím z PWM generátora, po ktorom je zariadenie nakonfigurované a nastavené na maximálny výstup plynu HHO.

Na získanie Brownovho plynu v množstve dostatočnom na vykurovanie alebo varenie je nainštalovaných niekoľko generátorov vodíka, ktoré pracujú paralelne.

Video: Zostavenie zariadenia

Video: Prevádzka konštrukcie „suchého“ typu

Vybrané body použitia

V prvom rade by som rád poznamenal, že tradičný spôsob spaľovania zemného plynu alebo propánu nie je v našom prípade vhodný, keďže teplota spaľovania HHO je viac ako trojnásobne vyššia ako u uhľovodíkov. Ako sami viete, konštrukčná oceľ túto teplotu dlho nevydrží. Sám Stanley Meyer odporučil použiť horák neobvyklého dizajnu, ktorého schéma je uvedená nižšie.

Schéma vodíkového horáka navrhnutého S. Meyerom

Celý trik tohto zariadenia spočíva v tom, že HHO (na obrázku označený číslom 72) prechádza do spaľovacej komory cez ventil 35. Horiaca zmes vodíka stúpa cez kanál 63 a súčasne vykonáva proces vyhadzovania, pričom strháva vonkajší vzduch cez nastaviteľné otvory. 13 a 70. Pod krytom 40 sa zadržiava určité množstvo produktov spaľovania (vodná para), ktorá vstupuje do spaľovacieho stĺpca kanálom 45 a mieša sa so spaľovacím plynom. To umožňuje niekoľkokrát znížiť teplotu spaľovania.

Druhým bodom, na ktorý by som chcel upozorniť, je kvapalina, ktorá by sa mala naliať do inštalácie. Najlepšie je použiť pripravenú vodu, ktorá neobsahuje soli ťažkých kovov. Ideálnou možnosťou je destilát, ktorý je možné zakúpiť v každom obchode s automobilmi alebo v lekárni. Pre úspešnú prevádzku elektrolyzéra sa do vody pridáva hydroxid draselný KOH v množstve približne jedna polievková lyžica prášku na vedro vody.

Počas prevádzky zariadenia je dôležité, aby sa generátor neprehrieval. Keď teplota stúpne na 65 stupňov Celzia alebo viac, elektródy zariadenia sa kontaminujú vedľajšími produktmi reakcie, čo zníži produktivitu elektrolyzéra. Ak sa tak stane, potom bude potrebné vodíkový článok rozobrať a usadeniny odstrániť pomocou brúsneho papiera.

A tretia vec, na ktorú kladieme osobitný dôraz, je bezpečnosť. Pamätajte, že nie náhodou sa zmes vodíka a kyslíka nazývala výbušná. HHO je nebezpečná chemikália, ktorá môže spôsobiť výbuch, ak sa s ňou nesprávne zaobchádza. Dodržujte bezpečnostné pravidlá a buďte obzvlášť opatrní pri experimentovaní s vodíkom. Iba v tomto prípade „tehla“, z ktorej pozostáva náš vesmír, prinesie teplo a pohodlie do vášho domova.

Dúfame, že ste našli tento článok ako zdroj inšpirácie a vyhrniete si rukávy a začnete vyrábať vodíkový palivový článok. Samozrejme, všetky naše výpočty nie sú konečnou pravdou, dajú sa však použiť na vytvorenie funkčného modelu vodíkového generátora. Ak chcete úplne prejsť na tento typ vykurovania, bude potrebné túto otázku podrobnejšie preštudovať. Možno sa práve vaša inštalácia stane základným kameňom, vďaka ktorému sa skončí prerozdeľovanie energetických trhov a do každého domu sa dostane lacné a ekologické teplo.

Mobilná elektronika je každým rokom, ak nie mesiacom, dostupnejšia a rozšírenejšia. Nájdete tu notebooky, PDA, digitálne fotoaparáty, mobilné telefóny a množstvo ďalších užitočných aj menej užitočných zariadení. A všetky tieto zariadenia neustále získavajú nové funkcie, výkonnejšie procesory, väčšie farebné obrazovky, bezdrôtovú komunikáciu, pričom sa zároveň zmenšujú. Na rozdiel od polovodičových technológií však energetické technológie pre celý tento mobilný zverinec nenapredujú míľovými krokmi.

Bežné batérie a dobíjacie batérie sa stávajú zjavne nedostatočnými na napájanie najnovších pokrokov v elektronickom priemysle počas akéhokoľvek významného časového obdobia. A bez spoľahlivých a priestranných batérií sa stráca celý zmysel mobility a bezdrôtového pripojenia. Počítačový priemysel teda na probléme pracuje čoraz aktívnejšie alternatívne zdroje energie. A najsľubnejší smer je tu dnes palivové články.

Základný princíp fungovania palivových článkov objavil britský vedec Sir William Grove v roku 1839. Je známy ako otec „palivového článku“. William Grove vyrábal elektrinu zmenou na extrakciu vodíka a kyslíka. Po odpojení batérie od elektrolytického článku bol Grove prekvapený, keď zistil, že elektródy začali absorbovať uvoľnený plyn a generovať prúd. Otvorenie procesu elektrochemické „studené“ spaľovanie vodíka sa stala významnou udalosťou v energetickom priemysle a následne takí slávni elektrochemici ako Ostwald a Nernst zohrali veľkú úlohu vo vývoji teoretických základov a praktickej implementácii palivových článkov a predpovedali im veľkú budúcnosť.

Ja sám výraz "palivový článok" sa objavil neskôr - navrhli ho v roku 1889 Ludwig Mond a Charles Langer, ktorí sa pokúšali vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhoľného plynu.

Pri bežnom spaľovaní v kyslíku dochádza k oxidácii organického paliva a chemická energia paliva sa neefektívne premieňa na tepelnú energiu. Ukázalo sa však, že je možné uskutočniť oxidačnú reakciu, napríklad vodíka s kyslíkom, v prostredí elektrolytu a za prítomnosti elektród získať elektrický prúd. Napríklad privedením vodíka do elektródy umiestnenej v alkalickom prostredí získame elektróny:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

ktoré sa pri prechode vonkajším okruhom dostanú k opačnej elektróde, ku ktorej prúdi kyslík a kde prebieha reakcia: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Je vidieť, že výsledná reakcia 2H2 + O2 → H2O je rovnaká ako pri klasickom spaľovaní, ale v palivovom článku, alebo inak - v elektrochemický generátor, výsledkom je elektrický prúd s veľkou účinnosťou a čiastočne teplo. Všimnite si, že palivové články môžu používať aj uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín a iné organické látky ako palivo a vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselinu dusičnú atď. ako oxidačné činidlá.

Vývoj palivových článkov energicky pokračoval v zahraničí aj v Rusku a potom v ZSSR. Medzi vedcami, ktorí výrazne prispeli k štúdiu palivových článkov, si všimneme V. Jaca, P. Yablochkova, F. Bacona, E. Bauera, E. Justiho, K. Cordesha. V polovici minulého storočia sa začal nový útok na problémy s palivovými článkami. Čiastočne je to spôsobené objavením sa nových nápadov, materiálov a technológií v dôsledku obranného výskumu.

Jedným z vedcov, ktorí urobili veľký krok vo vývoji palivových článkov, bol P. M. Spiridonov. Vodíkovo-kyslíkové prvky Spiridonova dával prúdovú hustotu 30 mA/cm2, čo sa v tom čase považovalo za veľký úspech. V štyridsiatych rokoch O. Davtyan vytvoril zariadenie na elektrochemické spaľovanie generátorového plynu získaného splyňovaním uhlia. Na každý kubický meter objemu prvku dostal Davtyan 5 kW výkonu.

To bolo prvý palivový článok s pevným elektrolytom. Mal vysokú účinnosť, ale postupom času sa elektrolyt stal nepoužiteľným a bolo potrebné ho vymeniť. Následne Davtyan koncom päťdesiatych rokov vytvoril výkonnú inštaláciu, ktorá poháňa traktor. V tých istých rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a postavil batériu palivových článkov s celkovým výkonom 6 kW a účinnosťou 80 %, poháňanú čistým vodíkom a kyslíkom, ale pomer výkonu a hmotnosti batéria sa ukázala byť príliš malá - takéto prvky boli nevhodné na praktické použitie a príliš drahé.

V ďalších rokoch čas samotárov pominul. Tvorcovia kozmických lodí sa začali zaujímať o palivové články. Od polovice 60. rokov sa do výskumu palivových článkov investovali milióny dolárov. Práca tisícov vedcov a inžinierov nám umožnila dosiahnuť novú úroveň a v roku 1965. palivové články boli testované v Spojených štátoch na kozmickej lodi Gemini 5 a neskôr na kozmickej lodi Apollo pre lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle.

V ZSSR boli palivové články vyvinuté v NPO Kvant aj na použitie vo vesmíre. V tých rokoch sa už objavili nové materiály - tuhé polymérne elektrolyty na báze iónomeničových membrán, nové typy katalyzátorov, elektródy. Napriek tomu bola prevádzková prúdová hustota malá - v rozsahu 100-200 mA/cm2 a obsah platiny na elektródach bol niekoľko g/cm2. Vyskytlo sa veľa problémov súvisiacich s odolnosťou, stabilitou a bezpečnosťou.

Ďalšia etapa rýchleho vývoja palivových článkov začala v 90. rokoch. minulého storočia a trvá dodnes. Je to spôsobené potrebou nových efektívnych zdrojov energie v súvislosti na jednej strane s globálnym environmentálnym problémom zvyšovania emisií skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív a na druhej strane s vyčerpávaním zásob takéhoto paliva. . Keďže v palivovom článku je konečným produktom spaľovania vodíka voda, považujú sa z hľadiska vplyvu na životné prostredie za najčistejšie. Hlavným problémom je nájsť efektívny a lacný spôsob výroby vodíka.

Miliardové finančné investície do vývoja palivových článkov a vodíkových generátorov by mali viesť k technologickému prelomu a ich využitie v každodennom živote: v článkoch pre mobilné telefóny, v autách, v elektrárňach. Automobiloví giganti ako Ballard, Honda, Daimler Chrysler či General Motors už predvádzajú autá a autobusy poháňané palivovými článkami s výkonom 50 kW. Rozvinulo sa množstvo spoločností demonštračné elektrárne využívajúce palivové články s tuhým oxidovým elektrolytom s výkonom do 500 kW. Napriek významnému prelomu v zlepšovaní charakteristík palivových článkov je však stále potrebné vyriešiť mnohé problémy súvisiace s ich cenou, spoľahlivosťou a bezpečnosťou.

V palivovom článku, na rozdiel od batérií a akumulátorov, sa k nemu privádza palivo aj okysličovadlo zvonku. Palivový článok iba sprostredkúva reakciu a za ideálnych podmienok by mohol fungovať prakticky navždy. Krása tejto technológie je v tom, že článok skutočne spaľuje palivo a priamo premieňa uvoľnenú energiu na elektrinu. Keď sa palivo priamo spaľuje, oxiduje sa kyslíkom a uvoľnené teplo sa používa na vykonávanie užitočnej práce.

V palivovom článku, rovnako ako v batériách, sú reakcie oxidácie paliva a redukcie kyslíka priestorovo oddelené a proces „spaľovania“ nastáva iba vtedy, ak článok dodáva prúd do záťaže. Je to len ako dieselelektrický generátor, iba bez nafty a generátora. A tiež bez dymu, hluku, prehrievania a s oveľa vyššou účinnosťou. Toto sa vysvetľuje skutočnosťou, že po prvé neexistujú žiadne medziľahlé mechanické zariadenia a po druhé, palivový článok nie je tepelný motor, a v dôsledku toho sa neriadi Carnotovým zákonom (to znamená, že jeho účinnosť nie je určená teplotný rozdiel).

Kyslík sa používa ako oxidačné činidlo v palivových článkoch. Navyše, keďže je vo vzduchu dostatok kyslíka, netreba sa obávať prísunu oxidačného činidla. Čo sa týka paliva, je to vodík. Reakcia teda prebieha v palivovom článku:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrina + teplo.

Výsledkom je užitočná energia a vodná para. Najjednoduchší vo svojom dizajne je palivový článok s protónovou výmennou membránou(pozri obrázok 1). Funguje to nasledovne: vodík vstupujúci do prvku sa pôsobením katalyzátora rozloží na elektróny a kladne nabité vodíkové ióny H+. Vtedy prichádza na rad špeciálna membrána, ktorá v klasickej batérii hrá úlohu elektrolytu. Vďaka svojmu chemickému zloženiu umožňuje protónom prechádzať, ale zachováva elektróny. Elektróny nahromadené na anóde teda vytvárajú prebytočný záporný náboj a vodíkové ióny vytvárajú kladný náboj na katóde (napätie na prvku je asi 1V).

Na vytvorenie vysokého výkonu je palivový článok zostavený z mnohých článkov. Ak pripojíte prvok k záťaži, elektróny ním budú prúdiť ku katóde, čím sa vytvorí prúd a dokončí sa proces oxidácie vodíka kyslíkom. Ako katalyzátor v takýchto palivových článkoch sa zvyčajne používajú platinové mikročastice nanesené na uhlíkových vláknach. Vďaka svojej štruktúre umožňuje takýto katalyzátor dobre prechádzať plynom a elektrinou. Membrána je zvyčajne vyrobená z polyméru Nafion obsahujúceho síru. Hrúbka membrány je v desatinách milimetra. Počas reakcie sa samozrejme uvoľňuje aj teplo, ale nie až tak veľa, takže prevádzková teplota sa udržiava v oblasti 40-80°C.

Obr.1. Princíp činnosti palivového článku

Existujú aj iné typy palivových článkov, ktoré sa líšia najmä typom použitého elektrolytu. Takmer všetky vyžadujú ako palivo vodík, a tak vzniká logická otázka: kde ho získať. Samozrejme, bolo by možné použiť stlačený vodík z tlakových fliaš, ale okamžite vznikajú problémy spojené s prepravou a skladovaním tohto vysoko horľavého plynu pod vysokým tlakom. Samozrejme, vodík je možné použiť vo viazanej forme, ako v batériách s hydridom kovu. Úloha ťažby a prepravy však stále zostáva, pretože infraštruktúra na tankovanie vodíka neexistuje.

Aj tu však existuje riešenie – ako zdroj vodíka možno použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etyl alebo metylalkohol. Je pravda, že to vyžaduje špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý pri vysokých teplotách (pre metanol to bude asi 240 ° C) premieňa alkoholy na zmes plynného H2 a CO2. V tomto prípade je však už ťažšie myslieť na prenosnosť - takéto zariadenia je dobré používať ako stacionárne alebo, ale pre kompaktné mobilné zariadenia potrebujete niečo menej objemné.

A tu sa dostávame presne k zariadeniu, ktoré takmer všetci najväčší výrobcovia elektroniky vyvíjajú s hroznou silou - metanolový palivový článok(Obrázok 2).

Obr.2. Princíp činnosti metanolového palivového článku

Zásadným rozdielom medzi vodíkovými a metanolovými palivovými článkami je použitý katalyzátor. Katalyzátor v metanolovom palivovom článku umožňuje odstránenie protónov priamo z molekuly alkoholu. Otázka s palivom je teda vyriešená - metylalkohol sa sériovo vyrába pre chemický priemysel, ľahko sa skladuje a prepravuje a na nabitie metanolového palivového článku stačí jednoducho vymeniť palivovú kazetu. Je pravda, že existuje jedna významná nevýhoda - metanol je toxický. Navyše, účinnosť metanolového palivového článku je výrazne nižšia ako u vodíkového.

Ryža. 3. Metanolový palivový článok

Najlákavejšou možnosťou je použitie etylalkoholu ako paliva, keďže výroba a distribúcia alkoholických nápojov akéhokoľvek zloženia a sily je dobre zavedená na celom svete. Účinnosť etanolových palivových článkov je však, žiaľ, ešte nižšia ako u metanolových.

Ako bolo poznamenané počas mnohých rokov vývoja v oblasti palivových článkov, boli vyrobené rôzne typy palivových článkov. Palivové články sú klasifikované podľa typu elektrolytu a paliva.

1. Tuhý polymér vodík-kyslíkový elektrolyt.

2. Tuhé polymérne metanolové palivové články.

3. Články s alkalickým elektrolytom.

4. Palivové články s kyselinou fosforečnou.

5. Palivové články na báze roztavených uhličitanov.

6. Palivové články s pevným oxidom.

V ideálnom prípade je účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, ale v reálnych podmienkach dochádza k stratám spojeným s nerovnovážnymi procesmi, ako sú: ohmické straty v dôsledku špecifickej vodivosti elektrolytu a elektród, aktivačná a koncentračná polarizácia a difúzne straty. V dôsledku toho sa časť energie vytvorenej v palivových článkoch premení na teplo. Úsilie špecialistov je zamerané na zníženie týchto strát.

Hlavným zdrojom ohmických strát, ako aj dôvodom vysokej ceny palivových článkov, sú perfluórované sulfónové katexové membrány. V súčasnosti prebieha hľadanie alternatívnych, lacnejších polymérov vedúcich protóny. Keďže vodivosť týchto membrán (pevných elektrolytov) dosahuje prijateľnú hodnotu (10 Ohm/cm) len v prítomnosti vody, plyny privádzané do palivového článku sa musia dodatočne zvlhčovať v špeciálnom zariadení, čo tiež zvyšuje cenu systém. Elektródy na difúziu katalytického plynu využívajú najmä platinu a niektoré ďalšie ušľachtilé kovy a doteraz sa za ne nenašla náhrada. Hoci obsah platiny v palivových článkoch je niekoľko mg/cm2, pri veľkých batériách jej množstvo dosahuje desiatky gramov.

Pri navrhovaní palivových článkov sa veľká pozornosť venuje systému odvodu tepla, pretože pri vysokých prúdových hustotách (až 1A/cm2) sa systém samovoľne zahrieva. Na chladenie sa používa voda cirkulujúca v palivovom článku cez špeciálne kanály a pri nízkych výkonoch - fúkanie vzduchu.

Moderný elektrochemický generátorový systém je teda okrem samotnej batérie palivových článkov „prerastený“ mnohými pomocnými zariadeniami, ako sú: čerpadlá, kompresor na prívod vzduchu, vstrekovanie vodíka, zvlhčovač plynu, chladiaca jednotka, plyn. systém monitorovania úniku, menič DC-AC, riadiaci procesor atď. To všetko vedie k tomu, že náklady na systém palivových článkov v rokoch 2004-2005 boli 2-3 tisíc $/kW. Podľa odborníkov budú palivové články dostupné pre použitie v dopravných a stacionárnych elektrárňach za cenu 50-100 $/kW.

Na zavedenie palivových článkov do každodenného života spolu s lacnejšími komponentmi musíme očakávať nové originálne nápady a prístupy. Veľké nádeje sa vkladajú najmä do využívania nanomateriálov a nanotechnológií. Napríklad niekoľko spoločností nedávno oznámilo vytvorenie ultraúčinných katalyzátorov, najmä pre kyslíkové elektródy, založených na zhlukoch nanočastíc z rôznych kovov. Okrem toho sa objavili správy o konštrukciách bezmembránových palivových článkov, v ktorých sa kvapalné palivo (napríklad metanol) privádza do palivového článku spolu s oxidačným činidlom. Zaujímavý je aj rozvíjajúci sa koncept biopalivových článkov pracujúcich v znečistených vodách a spotrebúvajúcich rozpustený vzdušný kyslík ako oxidačné činidlo a organické nečistoty ako palivo.

Podľa odborníkov sa palivové články dostanú na masový trh v najbližších rokoch. Vývojári jeden po druhom prekonávajú technické problémy, hlásia úspechy a prezentujú prototypy palivových článkov. Toshiba napríklad predviedla hotový prototyp metanolového palivového článku. Má veľkosť 22x56x4,5mm a produkuje výkon cca 100mW. Jedna náplň 2 kociek koncentrovaného (99,5%) metanolu vystačí na 20 hodín prevádzky MP3 prehrávača. Toshiba uviedla na trh komerčný palivový článok na napájanie mobilných telefónov. Opäť tá istá Toshiba demonštrovala článok na napájanie notebookov s rozmermi 275x75x40mm, čo umožňuje počítaču pracovať 5 hodín na jedno nabitie.

Za Toshibou nezaostáva ani ďalšia japonská spoločnosť Fujitsu. V roku 2004 predstavila aj prvok, ktorý funguje v 30 % vodnom roztoku metanolu. Tento palivový článok fungoval na jednu 300 ml náplň po dobu 10 hodín a produkoval výkon 15 W.

Casio vyvíja palivový článok, v ktorom sa metanol najprv v miniatúrnom palivovom konvertore premení na zmes plynov H2 a CO2 a potom sa privedie do palivového článku. Počas predvádzania prototyp Casio poháňal notebook 20 hodín.

Samsung sa presadil aj na poli palivových článkov – v roku 2004 predviedol svoj 12 W prototyp určený na napájanie notebooku. Vo všeobecnosti Samsung plánuje používať palivové články predovšetkým v smartfónoch štvrtej generácie.

Treba povedať, že japonské spoločnosti vo všeobecnosti pristupovali k vývoju palivových článkov veľmi dôkladne. Ešte v roku 2003 spojili svoje sily spoločnosti ako Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony a Toshiba, aby vyvinuli jednotný štandard palivových článkov pre notebooky, mobilné telefóny, PDA a ďalšie elektronické zariadenia. Americké firmy, ktorých je na tomto trhu tiež veľa, väčšinou pracujú na základe zmlúv s armádou a vyvíjajú palivové články pre elektrifikáciu amerických vojakov.

Nemci nezaostávajú – spoločnosť Smart Fuel Cell predáva palivové články na pohon mobilnej kancelárie. Zariadenie sa volá Smart Fuel Cell C25, má rozmery 150x112x65mm a dokáže dodať až 140 watthodín na jedno naplnenie. To stačí na napájanie notebooku približne 7 hodín. Potom je možné kazetu vymeniť a môžete pokračovať v práci. Veľkosť metanolovej kartuše je 99x63x27 mm a váži 150g. Samotný systém váži 1,1 kg, takže ho nemožno nazvať úplne prenosným, no stále ide o úplne kompletné a pohodlné zariadenie. Spoločnosť tiež vyvíja palivový modul na napájanie profesionálnych videokamier.

Vo všeobecnosti palivové články takmer vstúpili na trh s mobilnou elektronikou. Výrobcovia musia pred spustením sériovej výroby vyriešiť ešte posledné technické problémy.

Najprv je potrebné vyriešiť otázku miniaturizácie palivových článkov. Koniec koncov, čím menší je palivový článok, tým menej energie môže produkovať - ​​preto sa neustále vyvíjajú nové katalyzátory a elektródy, ktoré umožňujú maximalizovať pracovnú plochu s malými rozmermi. Práve tu prichádza na rad najnovší vývoj v oblasti nanotechnológií a nanomateriálov (napríklad nanorúrky). Na miniaturizáciu potrubí prvkov (palivové a vodné čerpadlá, systémy chladenia a konverzie paliva) sa opäť stále viac využívajú výdobytky mikroelektromechaniky.

Druhým dôležitým problémom, ktorý treba riešiť, je cena. Koniec koncov, veľmi drahá platina sa používa ako katalyzátor vo väčšine palivových článkov. Niektorí z výrobcov sa opäť snažia vyťažiť maximum z už osvedčených kremíkových technológií.

Čo sa týka iných oblastí využitia palivových článkov, tam sa palivové články už celkom pevne udomácnili, aj keď sa ešte nestali hlavným prúdom ani v energetike, ani v doprave. Mnohé automobilky už predstavili svoje koncepčné autá poháňané palivovými článkami. Autobusy na palivové články jazdia v niekoľkých mestách po celom svete. Canadian Ballard Power Systems vyrába rad stacionárnych generátorov s výkonom od 1 do 250 kW. Zároveň sú kilowattové generátory určené na okamžité zásobovanie jedného bytu elektrinou, teplom a teplou vodou.