palivový článek ( palivový článek) je zařízení, které přeměňuje chemickou energii na elektrickou energii. Principiálně se podobá klasické baterii, liší se však tím, že její provoz vyžaduje neustálý přísun látek zvenčí, aby došlo k elektrochemické reakci. Do palivových článků se přivádí vodík a kyslík, výstupem je elektřina, voda a teplo. Mezi jejich přednosti patří šetrnost k životnímu prostředí, spolehlivost, odolnost a snadná obsluha. Na rozdíl od běžných baterií mohou elektrochemické měniče fungovat prakticky neomezeně, dokud je k dispozici palivo. Do úplného nabití není třeba je nabíjet celé hodiny. Články samy navíc dokážou nabíjet baterii, když auto stojí s vypnutým motorem.

V vodíkových vozidlech se nejčastěji používají protonové membránové palivové články (PEMFC) a palivové články s pevným oxidem (SOFC).

Palivový článek s membránou pro výměnu protonů funguje následovně. Mezi anodou a katodou je speciální membrána a katalyzátor potažený platinou. Vodík vstupuje do anody a kyslík vstupuje do katody (například ze vzduchu). Na anodě se vodík za pomoci katalyzátoru rozkládá na protony a elektrony. Protony vodíku procházejí membránou a vstupují do katody, zatímco elektrony jsou odevzdávány do vnějšího okruhu (membrána je nepropustí). Takto získaný potenciálový rozdíl vede ke vzniku elektrického proudu. Na katodové straně jsou protony vodíku oxidovány kyslíkem. V důsledku toho vzniká vodní pára, která je hlavním prvkem výfukových plynů automobilů. S vysokou účinností mají PEM články jednu významnou nevýhodu - jejich provoz vyžaduje čistý vodík, jehož skladování je poměrně vážným problémem.

Pokud se najde takový katalyzátor, který v těchto článcích nahradí drahou platinu, pak okamžitě vznikne levný palivový článek na výrobu elektřiny, což znamená, že se svět zbaví závislosti na ropě.

Pevné oxidové buňky

Články SOFC s pevným oxidem jsou mnohem méně náročné na čistotu paliva. Navíc díky použití reformeru POX (Partial Oxidation - částečná oxidace) mohou takové články spotřebovávat jako palivo běžný benzín. Proces přeměny benzínu přímo na elektřinu je následující. Ve speciálním zařízení - reformátoru se benzin při teplotě asi 800 °C odpařuje a rozkládá na své základní prvky.

Tím se uvolňuje vodík a oxid uhličitý. Dále také vlivem teploty a pomocí samotného SOFC (skládajícího se z porézního keramického materiálu na bázi oxidu zirkoničitého) dochází k oxidaci vodíku vzdušným kyslíkem. Po získání vodíku z benzínu proces dále pokračuje podle výše popsaného scénáře, jen s jedním rozdílem: palivový článek SOFC je na rozdíl od zařízení fungujících na vodík méně citlivý na cizí nečistoty v původním palivu. Takže kvalita benzínu by neměla ovlivnit výkon palivového článku.

Vysoká provozní teplota SOFC (650-800 stupňů) je významnou nevýhodou, proces zahřívání trvá asi 20 minut. Přebytečné teplo však není problém, protože je zcela odstraněno zbývajícím vzduchem a výfukovými plyny produkovanými reformátorem a samotným palivovým článkem. To umožňuje integraci systému SOFC do vozidla jako samostatného zařízení v tepelně izolovaném krytu.

Modulární struktura umožňuje dosáhnout požadovaného napětí zapojením sady standardních článků do série. A co je možná nejdůležitější, z hlediska zavádění takových zařízení v SOFC nejsou žádné velmi drahé elektrody na bázi platiny. Právě vysoká cena těchto prvků je jednou z překážek ve vývoji a šíření technologie PEMFC.

Typy palivových článků

V současné době existují tyto typy palivových článků:

• A.F.C.– Alkaline Fuel Cell (alkalický palivový článek);
• PAFC– Phosphoric Acid Fuel Cell (palivový článek s kyselinou fosforečnou);
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (palivový článek s protonovou výměnnou membránou);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (palivový článek s přímým rozkladem metanolu);
• MCFC– Fuel Cell Molten Carbonate (palivový článek z roztaveného uhličitanu);
• SOFC– Palivový článek s pevným oxidem (palivový článek s pevným oxidem).

Vodíkový palivový článek Nissan

Mobilní elektronika se každým rokem zlepšuje, stává se rozšířenější a dostupnější: PDA, notebooky, mobilní a digitální zařízení, fotorámečky atd. Všechny jsou neustále aktualizovány novými funkcemi, většími monitory, bezdrátovou komunikací, silnějšími procesory, přičemž se snižují velikost.. Výkonové technologie, na rozdíl od polovodičové, nejdou mílovými kroky.

Dostupné baterie a akumulátory pro napájení výdobytků průmyslu se stávají nedostatečnými, takže otázka alternativních zdrojů je velmi akutní. Palivové články jsou zdaleka nejslibnějším směrem. Princip jejich fungování objevil již v roce 1839 William Grove, který vyráběl elektřinu změnou elektrolýzy vody.

Video: Dokument, Palivové články pro dopravu: Minulost, současnost, budoucnost

Palivové články zajímají automobilky a zajímají se o ně i tvůrci kosmických lodí. V roce 1965 je dokonce testovala Amerika na Gemini 5 vypuštěném do vesmíru a později na Apollu. Do výzkumu palivových článků se investují miliony dolarů i dnes, kdy jsou problémy spojené se znečištěním životního prostředí, zvyšujícími se emisemi skleníkových plynů ze spalování fosilních paliv, jejichž zásoby také nejsou nekonečné.

Palivový článek, často označovaný jako elektrochemický generátor, funguje způsobem popsaným níže.

Být stejně jako akumulátory a baterie galvanickým článkem, ale s tím rozdílem, že aktivní látky jsou v něm uloženy odděleně. Přicházejí k elektrodám tak, jak jsou používány. Přírodní palivo nebo jakákoli látka z něj získaná hoří na záporné elektrodě, která může být plynná (například vodík a oxid uhelnatý) nebo kapalná, jako jsou alkoholy. Na kladné elektrodě zpravidla reaguje kyslík.

Ale jednoduše vypadající princip činnosti není snadné převést do reality.

DIY palivový článek

Video: DIY vodíkový palivový článek

Bohužel nemáme fotky, jak by měl tento palivový článek vypadat, doufáme ve vaši představivost.

Nízkoenergetický palivový článek vlastníma rukama lze vyrobit i ve školní laboratoři. Je nutné zásobit se starou plynovou maskou, několika kusy plexiskla, alkálií a vodným roztokem etylalkoholu (jednoduše vodky), který bude sloužit jako „palivo“ pro palivový článek.

Nejprve potřebujete pouzdro pro palivový článek, nejlépe z plexiskla o tloušťce alespoň pěti milimetrů. Vnitřní přepážky (uvnitř pět přihrádek) lze udělat o něco tenčí - 3 cm.K lepení plexiskla se používá lepidlo o složení: šest gramů odřezků plexiskla se rozpustí ve 100 gramech chloroformu nebo dichlorethanu (fungují pod kapotou ).

Ve vnější stěně je nyní nutné vyvrtat otvor, do kterého je potřeba přes pryžovou zátku vložit odtokovou skleněnou trubičku o průměru 5-6 centimetrů.

Každý ví, že v periodické tabulce v levém dolním rohu jsou nejaktivnější kovy a vysokoaktivní metaloidy jsou v tabulce v pravém horním rohu, tzn. schopnost darovat elektrony se zvyšuje shora dolů a zprava doleva. Prvky, které se mohou za určitých podmínek projevit jako kovy nebo metaloidy, jsou ve středu tabulky.

Nyní do druhého a čtvrtého oddílu nasypeme aktivní uhlí z plynové masky (mezi první přepážkou a druhou a také třetí a čtvrtou), které bude fungovat jako elektrody. Aby se uhlí nevysypalo skrz otvory, může být umístěno v nylonové látce (postačí dámské nylonové punčochy). V

Palivo bude cirkulovat v první komoře, v páté by měl být dodavatel kyslíku – vzduch. Mezi elektrodami bude elektrolyt a aby nedošlo k jeho úniku do vzduchové komory, je nutné jej napustit roztokem parafínu v benzínu (poměr 2 gramy parafínu na půl sklenice benzínu) před naplněním čtvrté komory uhlím pro vzduchový elektrolyt. Na vrstvu uhlí je třeba položit (mírně přitlačit) měděné desky, ke kterým jsou připájeny dráty. Jejich prostřednictvím bude proud odváděn od elektrod.

Zbývá pouze nabít prvek. K tomu je zapotřebí vodka, která musí být zředěna vodou v poměru 1: 1. Poté opatrně přidejte tři sta až tři sta padesát gramů žíravého draslíku. Pro elektrolyt se 70 gramů hydroxidu draselného rozpustí ve 200 gramech vody.

Palivový článek je připraven k testování. Nyní musíte současně nalít palivo do první komory a elektrolyt do třetí. Voltmetr připojený k elektrodám by měl ukazovat od 07 voltů do 0,9. Pro zajištění nepřetržitého provozu prvku je nutné vyhořelé palivo vypustit (vypustit do sklenice) a doplnit nové palivo (pryžovou hadičkou). Rychlost posuvu je řízena stlačením trubice. Tak vypadá provoz palivového článku v laboratorních podmínkách, jehož výkon je pochopitelně malý.

Video: Palivový článek nebo věčná baterie doma

Aby byla síla větší, vědci na tomto problému pracovali již dlouhou dobu. Metanolové a etanolové palivové články jsou umístěny na aktivní vývojové oceli. Ale bohužel zatím neexistuje způsob, jak je uvést do praxe.

Proč je palivový článek zvolen jako alternativní zdroj energie

Jako alternativní zdroj energie byl zvolen palivový článek, protože konečným produktem spalování vodíku v něm je voda. Problém je pouze v nalezení levného a efektivního způsobu výroby vodíku. Kolosální prostředky investované do vývoje vodíkových generátorů a palivových článků nemohou nenést ovoce, takže technologický průlom a jejich reálné využití v každodenním životě je jen otázkou času.

Již dnes monstra automobilového průmyslu: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard předvádějí autobusy a automobily, které jezdí na palivové články o výkonu až 50 kW. Ale problémy spojené s jejich bezpečností, spolehlivostí, náklady - dosud nebyly vyřešeny. Jak již bylo zmíněno, na rozdíl od tradičních zdrojů energie - baterií a baterií, jsou v tomto případě okysličovadlo a palivo dodávány zvenčí a palivový článek je pouze prostředníkem v probíhající reakci na spálení paliva a přeměnu uvolněné energie na elektřinu. . K „hoření“ dochází pouze v případě, že prvek dodává proud do zátěže, jako je dieselový generátor, ale bez generátoru a nafty a také bez hluku, kouře a přehřívání. Současně je účinnost mnohem vyšší, protože neexistují žádné mezilehlé mechanismy.

Video: Auto na vodíkové palivové články

Velké naděje se vkládají do využití nanotechnologií a nanomateriálů, který pomůže miniaturizovat palivové články a zároveň zvýšit jejich výkon. Objevily se zprávy, že byly vytvořeny ultraúčinné katalyzátory a také konstrukce palivových článků, které nemají membrány. V nich se spolu s okysličovadlem přivádí do prvku palivo (například metan). Zajímavá jsou řešení, kde se jako oxidační činidlo používá kyslík rozpuštěný ve vodě a jako palivo organické nečistoty hromadící se ve znečištěných vodách. Jedná se o takzvané biopalivové články.

Palivové články mohou podle odborníků vstoupit na masový trh v příštích letech

PALIVOVÝ ČLÁNEK
elektrochemický generátor, zařízení, které zajišťuje přímou přeměnu chemické energie na elektrickou energii. Ačkoli se totéž děje v elektrických bateriích, mají palivové články dva důležité rozdíly: 1) fungují, pokud jsou palivo a okysličovadlo dodávány z externího zdroje; 2) chemické složení elektrolytu se během provozu nemění, tzn. palivový článek není třeba dobíjet.
viz také NAPÁJENÍ BATERIE .
Princip fungování. Palivový článek (obr. 1) se skládá ze dvou elektrod oddělených elektrolytem a systémů pro přivádění paliva k jedné elektrodě a okysličovadla na druhou a také systému pro odstraňování reakčních produktů. Ve většině případů se k urychlení chemické reakce používají katalyzátory. Palivový článek je připojen vnějším elektrickým obvodem k zátěži, která spotřebovává elektřinu.

V tom zobrazeném na Obr. V kyselém palivovém článku je vodík přiváděn přes dutou anodu a vstupuje do elektrolytu velmi jemnými póry v materiálu elektrody. V tomto případě se molekuly vodíku rozloží na atomy, které se v důsledku chemisorpce, z nichž každý daruje jeden elektron, změní na kladně nabité ionty. Tento proces lze popsat následujícími rovnicemi:

Vodíkové ionty difundují elektrolytem směrem ke kladné straně článku. Kyslík přiváděný ke katodě přechází do elektrolytu a také reaguje na povrchu elektrody za účasti katalyzátoru. V kombinaci s vodíkovými ionty a elektrony, které přicházejí z vnějšího okruhu, vzniká voda:

Palivové články s alkalickými elektrolyty (obvykle koncentrovaný hydroxid sodný nebo draselný) procházejí podobnými chemickými reakcemi. Vodík prochází anodou a reaguje v přítomnosti katalyzátoru s hydroxylovými ionty (OH-) přítomnými v elektrolytu za vzniku vody a elektronu:

Na katodě kyslík reaguje s vodou obsaženou v elektrolytu a elektrony z vnějšího okruhu. V následných reakčních krocích se tvoří hydroxylové ionty (stejně jako perhydroxyl O2H-). Výslednou reakci na katodě lze zapsat jako:

Proud elektronů a iontů udržuje rovnováhu náboje a hmoty v elektrolytu. Voda vzniklá v důsledku reakce částečně ředí elektrolyt. V každém palivovém článku se část energie chemické reakce přemění na teplo. Tok elektronů ve vnějším obvodu je stejnosměrný proud, který se používá k práci. Většina reakcí v palivových článcích poskytuje EMF přibližně 1 V. Otevření okruhu nebo zastavení pohybu iontů zastaví činnost palivového článku. Proces, ke kterému dochází ve vodíkovo-kyslíkovém palivovém článku, je ze své podstaty opakem dobře známého procesu elektrolýzy, při kterém se voda disociuje při průchodu elektrického proudu elektrolytem. U některých typů palivových článků lze totiž proces obrátit – přivedením napětí na elektrody lze vodu rozložit na vodík a kyslík, které se mohou shromažďovat na elektrodách. Pokud přestanete nabíjet článek a připojíte k němu zátěž, začne takový regenerační palivový článek okamžitě pracovat ve svém normálním režimu. Teoreticky mohou být rozměry palivového článku libovolně velké. V praxi se však několik článků spojuje do malých modulů nebo baterií, které jsou zapojeny buď sériově nebo paralelně.
Typy palivových článků. Existují různé typy palivových článků. Mohou být klasifikovány například podle použitého paliva, provozního tlaku a teploty a charakteru aplikace.
Prvky na vodíkové palivo. V tomto typickém článku popsaném výše jsou vodík a kyslík přenášeny do elektrolytu přes mikroporézní uhlíkové nebo kovové elektrody. Vysoké proudové hustoty je dosaženo v článcích pracujících při zvýšených teplotách (asi 250 °C) a vysokých tlacích. Nejširší komerční uplatnění zřejmě najdou články využívající vodíkové palivo získané zpracováním uhlovodíkových paliv, jako je zemní plyn nebo ropné produkty. Kombinací velkého množství prvků můžete vytvořit výkonné elektrárny. V těchto instalacích se stejnosměrný proud generovaný články převádí na střídavý proud se standardními parametry. Novým typem prvků schopných fungovat na vodík a kyslík za normální teploty a tlaku jsou prvky s iontoměničovými membránami (obr. 2). V těchto článcích je místo kapalného elektrolytu mezi elektrodami umístěna polymerní membrána, kterou volně procházejí ionty. V takových buňkách může být spolu s kyslíkem použit vzduch. Voda vznikající při provozu článku nerozpouští pevný elektrolyt a lze ji snadno odstranit.

Collierova encyklopedie. - Otevřená společnost. 2000 .

Podívejte se, co je „FUEL CELL“ v jiných slovnících:

PALIVOVÝ PRVEK, ELEKTROCHEMICKÝ PRVEK pro přímou přeměnu energie oxidace paliva na energii elektrickou. Podle toho navržené elektrody jsou ponořeny do ELEKTROLYTU a palivo (například vodík) je dodáváno do jednoho ... Vědeckotechnický encyklopedický slovník

Galvanický článek, ve kterém je redoxní reakce udržována nepřetržitým přísunem činidel (palivo, např. vodík, a oxidant, např. kyslík) ze speciálních zásobníků. Nejdůležitější část...... Velký encyklopedický slovník

palivový článek- Primární prvek, ve kterém je elektrická energie generována elektrochemickými reakcemi mezi aktivními látkami nepřetržitě přiváděnými k elektrodám zvenčí. [GOST 15596 82] EN palivový článek, který může měnit chemickou energii z… … Technická příručka překladatele

Přímý metanolový palivový článek Palivový článek je elektrochemické zařízení podobné, ale odlišné od galvanického článku ... Wikipedia

V moderním životě jsou chemické zdroje energie všude kolem nás: baterie v baterkách, baterie v mobilních telefonech, vodíkové palivové články, které se již používají v některých autech. Rychlý rozvoj elektrochemických technologií může vést k tomu, že v blízké budoucnosti nás místo aut na benzín budou obklopovat jen elektromobily, telefony se už nebudou rychle vybíjet a každý dům bude mít vlastní palivový článek generátor. Jeden ze společných programů Uralské federální univerzity s Ústavem vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd, ve spolupráci s nimiž publikujeme tento článek, je věnován zlepšování účinnosti elektrochemických zásobníků a generátorů energie. .

V dnešní době existuje mnoho různých typů baterií, mezi kterými je stále obtížnější se orientovat. Zdaleka není každému jasné, jak se baterie liší od superkondenzátoru a proč lze použít vodíkový palivový článek bez obav z poškození životního prostředí. V tomto článku budeme hovořit o tom, jak se chemické reakce využívají k výrobě elektřiny, jaký je rozdíl mezi hlavními typy moderních zdrojů chemického proudu a jaké vyhlídky se otevírají elektrochemické energii.

Chemie jako zdroj elektřiny

Nejprve se podívejme, proč lze chemickou energii vůbec využívat k výrobě elektřiny. Jde o to, že při redoxních reakcích se elektrony přenášejí mezi dvěma různými ionty. Pokud jsou obě poloviny chemické reakce v prostoru odděleny tak, že oxidace a redukce probíhají odděleně od sebe, pak je možné zajistit, aby elektron, který se odtrhne od jednoho iontu, nedopadl okamžitě na druhý, ale nejprve jde po cestě k tomu předem určené. Tato reakce může být použita jako zdroj elektrického proudu.

Tento koncept byl poprvé realizován v 18. století italským fyziologem Luigim Galvanim. Působení tradičního galvanického článku je založeno na reakcích redukce a oxidace kovů s různou aktivitou. Například klasický článek je galvanický článek, ve kterém se oxiduje zinek a redukuje měď. Redukční a oxidační reakce probíhají na katodě a anodě. A aby ionty mědi a zinku nespadaly do "cizího území", kde spolu mohou přímo reagovat, bývá mezi anodu a katodu umístěna speciální membrána. V důsledku toho vzniká mezi elektrodami rozdíl potenciálů. Pokud elektrody propojíte např. žárovkou, tak ve vzniklém elektrickém obvodu začne téct proud a žárovka se rozsvítí.

Schéma galvanického článku

Wikimedia Commons

Kromě materiálů anody a katody je důležitou součástí zdroje chemického proudu elektrolyt, uvnitř kterého se pohybují ionty a na jehož hranici probíhají s elektrodami všechny elektrochemické reakce. Elektrolyt v tomto případě nemusí být kapalný – může to být jak polymer, tak i keramický materiál.

Hlavní nevýhodou galvanického článku je jeho omezená doba provozu. Jakmile dojde reakce ke konci (tedy celá postupně se rozpouštějící anoda je zcela spotřebována), přestane takový prvek jednoduše fungovat.

Prstové alkalické baterie

Dobíjecí

Prvním krokem k rozšíření možností chemických zdrojů proudu bylo vytvoření baterie – zdroje proudu, který lze dobíjet a tedy znovu použít. K tomu vědci jednoduše navrhli použít reverzibilní chemické reakce. Po prvním úplném vybití baterie lze pomocí externího zdroje proudu spustit reakci, která v ní proběhla v opačném směru. Tím se obnoví původní stav, aby bylo možné baterii po dobití znovu používat.

Automobilová olověná baterie

Dodnes bylo vytvořeno mnoho různých typů baterií, které se liší typem chemické reakce v nich probíhající. Nejběžnějším typem baterií jsou olověné (nebo jednoduše olověné), které jsou založeny na oxidačně-redukční reakci olova. Taková zařízení mají poměrně dlouhou životnost a jejich spotřeba energie je až 60 watthodin na kilogram. Ještě populárnější jsou v poslední době lithium-iontové baterie založené na lithium-redoxní reakci. Energetická náročnost moderních lithium-iontových baterií nyní přesahuje 250 watthodin na kilogram.

Li-ion baterie pro mobilní telefon

Hlavními problémy lithium-iontových baterií je jejich nízká účinnost při nízkých teplotách, rychlé stárnutí a zvýšená výbušnost. A vzhledem k tomu, že kov lithia velmi aktivně reaguje s vodou za vzniku plynného vodíku a při hoření baterie se uvolňuje kyslík, samovznícení lithium-iontové baterie je velmi obtížně použitelné tradičními metodami hašení. Aby se zlepšila bezpečnost takové baterie a urychlila doba jejího nabíjení, vědci navrhují katodový materiál, který zabraňuje tvorbě dendritických struktur lithia a do elektrolytu přidávají látky, které tvoří výbušné struktury, a složky, které se v raných fázích vznítí. .

Pevný elektrolyt

Jako další méně zřejmý způsob, jak zvýšit účinnost a bezpečnost baterií, chemici navrhli neomezit se na kapalné elektrolyty v chemických zdrojích proudu, ale vytvořit zcela pevný zdroj proudu. V takových zařízeních nejsou vůbec žádné kapalné složky, ale mezi nimi je vrstvená struktura pevné anody, pevné katody a pevného elektrolytu. Elektrolyt zároveň plní funkci membrány. Nosiče náboje v pevném elektrolytu mohou být různé ionty v závislosti na jeho složení a reakcích, které probíhají na anodě a katodě. Ale jsou to vždy dostatečně malé ionty, které se mohou relativně volně pohybovat krystalem, například protony H+, ionty Li + lithia nebo ionty kyslíku O 2-.

Vodíkové palivové články

Schopnost dobíjení a speciální bezpečnostní opatření dělají z baterií mnohem slibnější zdroj proudu než konvenční baterie, ale přesto každá baterie obsahuje uvnitř omezené množství reagencií, a tudíž omezenou zásobu energie, a pokaždé je nutné baterii dobít. obnovit svůj výkon.

Aby byla baterie „nekonečná“, je možné použít jako zdroj energie nikoli látky, které jsou uvnitř článku, ale palivo, které je přes něj speciálně čerpané. Nejlepší ze všeho je, že jako takové palivo se nejlépe hodí látka, která je složením co nejjednodušší, šetrná k životnímu prostředí a hojně dostupná na Zemi.

Nejvhodnější látkou tohoto typu je plynný vodík. Jeho oxidace vzdušným kyslíkem za vzniku vody (podle reakce 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) je jednoduchá redoxní reakce a jako zdroj proudu lze využít i transport elektronů mezi ionty. Reakce probíhající v tomto případě je jakousi reverzní reakcí k reakci elektrolýzy vody (při které se působením elektrického proudu voda rozkládá na kyslík a vodík) a poprvé bylo takové schéma navrženo již v r. poloviny 19. století.

Ale navzdory skutečnosti, že obvod vypadá docela jednoduše, vytvoření efektivního zařízení založeného na tomto principu není vůbec triviální úkol. K tomu je nutné oddělit toky kyslíku a vodíku v prostoru, zajistit transport potřebných iontů elektrolytem a snížit možné ztráty energie ve všech fázích provozu.

Schematické schéma činnosti vodíkového palivového článku

Schéma fungujícího vodíkového palivového článku je velmi podobné schématu zdroje chemického proudu, ale obsahuje další kanály pro přívod paliva a okysličovadla a odstraňování reakčních produktů a přebytečných přiváděných plynů. Elektrody v takovém prvku jsou porézní vodivé katalyzátory. Na anodu je přiváděno plynné palivo (vodík) a na katodu oxidační činidlo (kyslík ze vzduchu) a na rozhraní každé z elektrod s elektrolytem probíhá vlastní poloviční reakce (oxidace vodík a redukce kyslíku). V tomto případě může v závislosti na typu palivového článku a typu elektrolytu probíhat samotná tvorba vody buď v anodovém nebo katodovém prostoru.

vodíkový palivový článek Toyota

Joseph Brent / flickr

Pokud je elektrolytem proton vodivý polymer nebo keramická membrána, roztok kyseliny nebo zásady, pak nosičem náboje v elektrolytu jsou vodíkové ionty. Molekulární vodík se v tomto případě na anodě oxiduje na vodíkové ionty, které procházejí elektrolytem a reagují zde s kyslíkem. Pokud je nosičem náboje kyslíkový iont O 2–, jako v případě pevného oxidového elektrolytu, pak se kyslík na katodě redukuje na iont, tento iont prochází elektrolytem a oxiduje vodík na anodě za vzniku vody a volné elektrony.

Kromě reakce oxidace vodíku pro palivové články bylo navrženo použití dalších typů reakcí. Například místo vodíku by redukčním palivem mohl být methanol, který se oxiduje kyslíkem na oxid uhličitý a vodu.

Účinnost palivových článků

Přes všechny výhody vodíkových palivových článků (jako je šetrnost k životnímu prostředí, prakticky neomezená účinnost, kompaktní rozměry a vysoká energetická náročnost) mají i řadu nevýhod. Mezi ně patří především postupné stárnutí součástí a potíže se skladováním vodíku. Právě na tom, jak tyto nedostatky odstranit, vědci dnes pracují.

V současné době se navrhuje zlepšit účinnost palivových článků změnou složení elektrolytu, vlastností katalytické elektrody a geometrie systému (což zajišťuje přívod palivových plynů do požadovaného bodu a snižuje vedlejší účinky). K řešení problému skladování plynného vodíku se používají materiály obsahující platinu, k jejichž sycení jsou například grafenové membrány.

Díky tomu je možné dosáhnout zvýšení stability palivového článku a životnosti jeho jednotlivých součástí. Nyní koeficient přeměny chemické energie na elektrickou v takových článcích dosahuje 80 procent a za určitých podmínek může být i vyšší.

Obrovské vyhlídky pro vodíkovou energii jsou spojeny s možností kombinovat palivové články do celých baterií a přeměnit je na elektrické generátory s vysokým výkonem. Již nyní mají elektrické generátory na vodíkové palivové články výkon až několik stovek kilowattů a používají se jako zdroje energie pro vozidla.

Alternativní elektrochemické skladování

Kromě klasických elektrochemických zdrojů proudu se jako zařízení pro uchovávání energie používají i neobvyklejší systémy. Jedním z těchto systémů je superkondenzátor (nebo ionistor) - zařízení, ve kterém dochází k separaci a akumulaci náboje v důsledku vytvoření dvojité vrstvy v blízkosti nabitého povrchu. Na rozhraní elektroda-elektrolyt v takovém zařízení se ionty různých znaků seřadí do dvou vrstev, tzv. "dvojitá elektrická vrstva", tvořící jakýsi velmi tenký kondenzátor. Kapacita takového kondenzátoru, tedy množství akumulovaného náboje, bude určena měrným povrchem materiálu elektrody, proto je výhodné brát jako materiál pro porézní materiály s maximálním měrným povrchem. superkondenzátory.

Ionistory jsou přeborníky mezi nabíjecími a vybíjecími chemickými zdroji proudu z hlediska rychlosti nabíjení, což je nepochybná výhoda tohoto typu zařízení. Bohužel jsou také rekordmany v rychlosti vybíjení. Energetická hustota ionistorů je osmkrát menší ve srovnání s olověnými bateriemi a 25krát menší než u lithium-iontových. Klasické „dvouvrstvé“ ionistory nevyužívají ve svém jádru elektrochemickou reakci a nejpřesněji je pro ně aplikován termín „kondenzátor“. U těch verzí ionistorů, které jsou založeny na elektrochemické reakci a akumulace náboje zasahuje do hloubky elektrody, je však možné dosáhnout vyšších vybíjecích časů při zachování rychlé rychlosti nabíjení. Úsilí vývojářů superkondenzátorů směřuje k vytvoření hybridních zařízení s bateriemi, které spojují výhody superkondenzátorů, především vysokou rychlost nabíjení, a přednosti baterií - vysokou energetickou náročnost a dlouhou dobu vybíjení. Představte si v blízké budoucnosti ionistorovou baterii, která se nabije za pár minut a bude pohánět notebook nebo smartphone na jeden nebo více dní!

Přestože je dnes energetická hustota superkondenzátorů stále několikanásobně menší než energetická hustota baterií, používají se ve spotřební elektronice a pro motory různých vozidel, včetně většiny.

* * *

Dnes tedy existuje velké množství elektrochemických zařízení, z nichž každé je perspektivní pro své specifické aplikace. Pro zlepšení účinnosti těchto zařízení potřebují vědci vyřešit řadu problémů, jak zásadních, tak technologických. Většinu těchto úkolů v rámci jednoho z průlomových projektů řeší Uralská federální univerzita, proto jsme se zeptali Maxima Ananieva, ředitele Ústavu vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd, profesora z katedry technologie elektrochemické výroby Ústavu chemické technologie Uralské federální univerzity, abychom hovořili o bezprostředních plánech a perspektivách vývoje moderních palivových článků.

N+1: Existuje v blízké budoucnosti alternativa k nejoblíbenějším Li-Ion bateriím?

Maxim Ananiev: Moderní úsilí vývojářů baterií je zaměřeno na nahrazení typu nosiče náboje v elektrolytu z lithia na sodík, draslík a hliník. V důsledku výměny lithia bude možné snížit náklady na baterii, i když se úměrně zvýší hmotnostní a rozměrové charakteristiky. Jinými slovy, pro stejné elektrické vlastnosti bude sodík-iontová baterie větší a těžší než lithium-iontová baterie.

Kromě toho je jednou ze slibných rozvojových oblastí pro zlepšení baterií vytváření hybridních chemických zdrojů energie založených na kombinaci kov-iontových baterií se vzduchovou elektrodou, jako je tomu u palivových článků. Obecně platí, že směr vytváření hybridních systémů, jak již bylo ukázáno na příkladu superkondenzátorů, nám zjevně umožní v blízké budoucnosti vidět na trhu chemické zdroje energie s vysokými spotřebitelskými charakteristikami.

Uralská federální univerzita spolu s akademickými a průmyslovými partnery z Ruska a světa v současnosti realizuje šest megaprojektů, které jsou zaměřeny na průlomové oblasti vědeckého výzkumu. Jedním z takových projektů je „Perspektivní technologie elektrochemické energie od chemického návrhu nových materiálů po elektrochemická zařízení nové generace pro uchování a přeměnu energie“.

Skupina vědců ze Strategic Academic Unit (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, která zahrnuje Maxim Ananiev, se zabývá návrhem a vývojem nových materiálů a technologií, včetně palivových článků, elektrolytických článků, kovových grafenových baterií, elektrochemických systémy pro ukládání energie a superkondenzátory.

Výzkumná a vědecká práce probíhá ve stálé spolupráci s Ústavem vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd a za podpory partnerů.

Které palivové články se v současnosti vyvíjejí a mají největší potenciál?

Jedním z nejslibnějších typů palivových článků jsou protonové keramické články. Oproti polymerním palivovým článkům s membránou pro výměnu protonů a článkům s pevným oxidem mají výhody, protože mohou pracovat s přímou dodávkou uhlovodíkového paliva. To značně zjednodušuje konstrukci elektrárny založené na proton-keramických palivových článcích a řídicím systému, a proto zvyšuje spolehlivost provozu. Je pravda, že tento typ palivových článků je v současnosti historicky méně rozvinutý, ale moderní vědecký výzkum nám umožňuje doufat ve vysoký potenciál této technologie v budoucnu.

Jaké problémy související s palivovými články se nyní řeší na Uralské federální univerzitě?

Nyní vědci z UrFU spolu s Institutem vysokoteplotní elektrochemie (IHTE) Uralské pobočky Ruské akademie věd pracují na vytvoření vysoce účinných elektrochemických zařízení a autonomních generátorů energie pro aplikace v distribuované energii. Vytvoření elektráren pro distribuovanou energii zpočátku předpokládá vývoj hybridních systémů založených na generátoru elektrické energie a akumulačním zařízení, což jsou baterie. Palivový článek přitom pracuje neustále, zajišťuje zátěž ve špičce a v klidovém režimu dobíjí baterii, která sama může fungovat jako rezerva jak v případě vysoké spotřeby, tak v případě nouzových situací.

Chemici z Uralské federální univerzity a IHTE dosáhli největšího úspěchu ve vývoji pevných oxidových a proton-keramických palivových článků. Od roku 2016 vzniká na Uralu společně se státní korporací Rosatom první ruská výroba elektráren na bázi palivových článků na bázi pevných oxidů. Vývoj uralských vědců již prošel "terénními" testy na stanici katodické ochrany plynovodu v experimentální lokalitě Uraltransgaz LLC. Elektrárna o jmenovitém výkonu 1,5 kilowattu pracovala více než 10 tisíc hodin a prokázala vysoký potenciál pro použití takových zařízení.

V rámci společné laboratoře Uralské federální univerzity a IHTE se vyvíjejí elektrochemická zařízení na bázi protonově vodivé keramické membrány. To umožní v blízké budoucnosti snížit provozní teploty pro palivové články s pevným oxidem z 900 na 500 stupňů Celsia a upustit od předběžného reformování uhlovodíkového paliva, čímž vzniknou nákladově efektivní elektrochemické generátory schopné provozu v podmínkách rozvinutá infrastruktura dodávek plynu v Rusku.

Alexandr Dubov

Dlouho jsem vám chtěl vyprávět o dalším směřování firmy Alfaintek. Jedná se o vývoj, prodej a servis vodíkových palivových článků. Chci okamžitě vysvětlit situaci s těmito palivovými články v Rusku.

Vzhledem k poměrně vysokým nákladům a úplné absenci vodíkových stanic pro nabíjení těchto palivových článků se neočekává jejich prodej v Rusku. Přesto si v Evropě, zejména ve Finsku, tyto palivové články každým rokem získávají na oblibě. jaké je to tajemství? Uvidíme. Toto zařízení je šetrné k životnímu prostředí, snadno ovladatelné a efektivní. Přichází na pomoc člověku tam, kde potřebuje elektrickou energii. Můžete si ho vzít s sebou na cesty, na túru, využít na venkově, v bytě jako autonomní zdroj elektřiny.

Elektřina v palivovém článku vzniká chemickou reakcí vodíku z válce s hydridem kovu a kyslíkem ze vzduchu. Válec není výbušný a může být uložen ve vaší skříni roky, kde bude čekat v křídlech. To je možná jedna z hlavních výhod této technologie skladování vodíku. Právě skladování vodíku je jedním z hlavních problémů vývoje vodíkového paliva. Unikátní nové lehké palivové články, které přeměňují vodík na konvenční elektřinu bezpečným, tichým a bezemisním způsobem.

Tento typ elektřiny lze použít v místech, kde není centrální elektřina, nebo jako nouzový zdroj energie.

Na rozdíl od klasických baterií, které je potřeba během nabíjecího procesu nabíjet a zároveň odpojovat od spotřebiče elektřiny, funguje palivový článek jako „chytré“ zařízení. Tato technologie poskytuje nepřetržitý proud po celou dobu používání díky jedinečné funkci udržování výkonu při výměně palivové nádrže, která uživateli umožňuje nikdy nevypnout spotřebič. V uzavřené skříni lze palivové články skladovat několik let bez ztráty vodíku a snížení jejich výkonu.

Palivový článek je určen pro vědce a výzkumníky, orgány činné v trestním řízení, plavčíky, majitele lodí a přístavů a ​​kohokoli, kdo potřebuje spolehlivý zdroj energie v případě nouze.
Můžete získat napětí 12 voltů nebo 220 voltů a pak budete mít dostatek energie na používání televize, stereo systému, lednice, kávovaru, rychlovarné konvice, vysavače, vrtačky, mikrovařiče a dalších domácích spotřebičů.

Hydročlánkové palivové články lze prodávat jako jeden celek nebo jako baterie o 2-4 článcích. Dva nebo čtyři prvky lze kombinovat, aby se zvýšil výkon nebo proud.

PROVOZNÍ DOBA DOMÁCÍCH SPOTŘEBIČŮ S PALIVOVÝMI ČLÁNKY

* - pokračující operace

Palivové články se plně nabíjejí na speciálních vodíkových stanicích. Ale co když cestujete daleko od nich a nemáte možnost se dobít? Speciálně pro takové případy vyvinuli specialisté Alfaintek válce pro skladování vodíku, se kterými budou palivové články pracovat mnohem déle.

Vyrábí se dva typy válců: NS-MN200 a NS-MN1200.
Sestava HC-MH200 je o něco větší než plechovka Coca-Coly, pojme 230 litrů vodíku, což odpovídá 40Ah (12V), a váží pouze 2,5 kg.
Válec s metalhydridem NS-MH1200 pojme 1200 litrů vodíku, což odpovídá 220Ah (12V). Hmotnost válce je 11 kg.

Metalhydridová technika je bezpečný a snadný způsob skladování, přepravy a používání vodíku. Při skladování jako hydrid kovu je vodík spíše ve formě chemické sloučeniny než v plynné formě. Tato metoda umožňuje získat dostatečně vysokou hustotu energie. Výhodou použití metalhydridu je, že tlak uvnitř válce je pouze 2-4 bary.

Válec není výbušný a může být skladován roky, aniž by došlo ke snížení objemu látky. Protože je vodík skladován jako hydrid kovu, čistota vodíku získaného z válce je velmi vysoká – 99,999 %. Vodíkové akumulační lahve ve formě metalhydridu lze použít nejen s palivovými články HC 100 200 400, ale i v jiných případech, kdy je potřeba čistý vodík. Lahve lze snadno připojit k palivovému článku nebo jinému zařízení pomocí rychlospojky a flexibilní hadice.

Je škoda, že se tyto palivové články neprodávají v Rusku. Ale mezi naší populací je tolik lidí, kteří je potřebují. No, počkáme a uvidíme, podíváte se a budeme mít. Mezitím budeme nakupovat státem nařízené úsporné žárovky.

P.S. Zdá se, že téma definitivně odešlo v zapomnění. Tolik let po napsání tohoto článku nic nevyšlo. Možná se samozřejmě nedívám všude, ale to, co mi padne do oka, vůbec nepotěší. Technologie a nápad je dobrý, ale vývoj se zatím nenašel.