En bränslecell ( engelska fuel cell ) är en elektrokemisk anordning, en kemisk strömkälla som omvandlar bränslets kemiska energi till elektrisk energi genom en direkt metod. Den elektromotoriska kraften genereras i bränslecellen som ett resultat av elektrokemiska processer från ständigt inkommande aktiva ämnen [1] .
De mest avancerade kommersiellt tillgängliga strömkällorna är lågtemperaturbränsleceller med en driftstemperatur under 200 °C . De använder väte , flytande kolväten och andra typer av bränsle som bränsle , vanligtvis platina som katalysator [2] .
Verkningsgraden för tillverkade bränsleceller når 60 % [3] , som i de mest avancerade kraftverken med en kombianläggning. I hybridanläggningar, där bränsleceller används i samband med ångmotorer, kan verkningsgraden nå 75 % [4] .
Bränsleceller har en hög nivå av miljösäkerhet , de kan använda förnybara bränslen [5] .
Bränsleceller är elektrokemiska enheter som teoretiskt sett kan ha en hög omvandlingshastighet av kemisk energi till elektrisk energi .
Vanligtvis använder lågtemperaturbränsleceller: väte på anodsidan och syre på katodsidan (vätecell), eller metanol och syre i luften.
Principen för separation av bränsle och oxidationsmedel flödenI bränslecellen strömmar reaktanterna in, reaktionsprodukterna strömmar ut och reaktionen kan fortgå så länge som reaktanterna kommer in i den och reaktiviteten hos komponenterna i själva bränslecellen bevaras, oftast bestäms av deras "förgiftning" biprodukter av otillräckligt rena utgångsmaterial.
Galvaniska engångsceller och batterier innehåller, till skillnad från bränsleceller, förbrukningsbara fasta eller flytande reagenser, vars massa begränsas av batteriernas volym, och när den elektrokemiska reaktionen upphör måste de bytas ut mot nya eller laddas elektriskt för att starta omvänd kemisk reaktion, eller åtminstone måste de byta förbrukade elektroder och förorenad elektrolyt.
Bränsleceller kan inte lagra elektrisk energi som galvaniska eller uppladdningsbara batterier, men för vissa applikationer, såsom kraftverk som arbetar isolerat från det elektriska systemet , som använder intermittenta energikällor (sol, vind), kombineras de med elektrolysatorer , kompressorer och bränsletankar (vätecylindrar) bildar en energilagringsanordning.
En protonutbytesmembran (t.ex. " polymerelektrolyt ") väte-syrebränslecell innehåller ett protonledande polymermembran som separerar två elektroder, en anod och en katod ; varje elektrod är vanligtvis en kolplatta (matris) med en avsatt katalysator - platina eller en legering av platinoider och andra kompositioner.
Vid anodkatalysatorn dissocierar molekylärt väte och förlorar elektroner . Vätekatjoner leds genom membranet till katoden, men elektroner avges till den externa kretsen, eftersom membranet inte tillåter elektroner att passera igenom.
På katodkatalysatorn kombineras en syremolekyl med en elektron (som tillförs från extern kommunikation) och en inkommande proton och bildar vatten, som är den enda reaktionsprodukten (i form av ånga och/eller vätska ).
Membranet tillåter ledning av protoner , men inte elektroner . Det kan vara polymert (Nafion , polybensimidazol , etc.) eller keramiskt ( oxid , etc.). Det finns dock FC utan membran [6] .
Anoden och katoden är som regel helt enkelt en ledande katalysator - platina avsatt på en högutvecklad kolyta.
Den naturliga bränslecellen är den levande cellens mitokondrier . Mitokondrier bearbetar organiskt "bränsle" - pyruvater och fettsyror , syntetiserar ATP - en universell energikälla för alla biokemiska processer i levande organismer, samtidigt som de skapar en skillnad i elektriska potentialer på deras inre membran. Det är dock svårt att kopiera denna process för att producera elektricitet i industriell skala, eftersom protonpumparna i mitokondrier är av proteinkaraktär.
År 1839 publicerades en anteckning av den brittiske vetenskapsmannen William Robert Grove , där han beskrev ett experiment där han upptäckte en "permanent avböjning" av en galvanometernål mellan två platinaelektroder, en badad i syre, den andra i väte [7 ] . Senare fick han reda på att elektrolysprocessen är reversibel, det vill säga att väte och syre kan kombineras till vattenmolekyler utan förbränning, men med frigöring av värme och elektricitet [8] . Forskaren kallade sin enhet, där han lyckades utföra denna reaktion, ett "gasbatteri", och det var den första bränslecellen.
1937 började professor F. Bacon arbetet med sin bränslecell. I slutet av 1950-talet hade han utvecklat ett batteri på 40 bränsleceller med en effekt på 5 kW. Ett sådant batteri skulle kunna användas för att ge energi till en svetsmaskin eller en gaffeltruck [9] . Batteriet drivs vid höga temperaturer i storleksordningen 200°C eller mer och tryck på 20-40 bar . Dessutom var det väldigt massivt.
Den ryske elektroingenjören P.N. Yablochkov fick patent (N.187139) för ett elektriskt element med mekanisk polarisation (bränslecell) 1887, medan han bodde i Frankrike vid den tiden. I Sovjetunionen dök de första publikationerna om bränsleceller upp 1941 .
De första studierna började på 60-talet . RSC Energia (sedan 1966) utvecklade fosforsyra (PAFC) bränsleceller för det sovjetiska månprogrammet . Från 1987 till 2005 Energia producerade cirka 100 bränsleceller, som totalt har samlat cirka 80 tusen timmar.
Under arbetet med Buran- programmet (1980-talet) utvecklades alkaliska (AFC) element som uppfyller flygningens villkor och krav. Buran var utrustad med bränsleceller på 10 kilowatt.
På 1970- och 1980-talen utvecklade NPO Kvant tillsammans med RAF Riga Bus Plant alkaliska element för bussar. En prototyp av en sådan bränslecellsbuss ( Kvant-RAF ) gjordes 1982 .
1989 producerade Institute of High Temperature Electrochemistry ( Yekaterinburg ) den första SOFC-enheten med fast oxid[ vad? ] med en effekt på 1 kW.
1999 började AvtoVAZ arbeta med bränsleceller. År 2003 skapades flera prototyper på grundval av VAZ-2131- bilen. Bränslecellsbatterierna var placerade i motorrummet i bilen, och tankarna med komprimerat väte fanns i bagageutrymmet, det vill säga det klassiska arrangemanget av kraftenheten och bränslecylindrarna användes. Utvecklingen av en vätgasbil leddes av kandidaten för tekniska vetenskaper G.K. Mirzoev.
Den 10 november 2003 undertecknades det allmänna avtalet om samarbete mellan Ryska vetenskapsakademin och Norilsk Nickel inom området väteenergi och bränsleceller [10] . Detta ledde till etableringen [11] den 4 maj 2005 av National Innovation Company "New Energy Projects" (NIK NEP), som 2006 producerade ett standby-kraftverk baserat på bränsleceller med en fast polymerelektrolyt med en kapacitet på 1 kW. Men enligt nyhetsbyrån MFD-InfoCenter likviderar MMC Norilsk Nickel företaget New Energy Projects som en del av beslutet som tillkännagavs i början av 2009 om att göra sig av med icke-kärnmässiga och olönsamma tillgångar [12] .
2008 grundades InEnergy- företaget , som är engagerat i forsknings- och utvecklingsarbete inom området elektrokemisk teknik och strömförsörjningssystem. Enligt resultaten av forskningen, i samarbete med de ledande instituten inom den ryska vetenskapsakademin (IPCP, IFTT och IHTTM), har ett antal pilotprojekt genomförts som har visat hög effektivitet. För MTS -företaget skapades och togs i drift ett modulärt reservkraftsystem baserat på väte-luftbränsleceller , bestående av en bränslecell, ett styrsystem, en energilagringsenhet och en omvandlare; systemeffekt upp till 10 kW.
Väte-luft energisystem har ett antal obestridliga fördelar, inklusive ett brett driftstemperaturområde för den yttre miljön (-40...+60 °C), hög effektivitet (upp till 60%), inget buller och vibrationer, snabbstart, kompakthet och miljövänlighet (vatten , som ett resultat av "avgaser").
Gazprom och federala kärnkraftscentra i Ryska federationen arbetar med att skapa prover på bränslecellskraftverk . Fastoxidbränsleceller , som för närvarande aktivt utvecklas, kommer uppenbarligen att dyka upp efter 2016.
Bränslecellstyp | Reaktion vid anoden | Elektrolyt | Reaktion vid katoden | Temperatur, °С |
---|---|---|---|---|
alkalisk bränslecell | 2 H2 + 4 OH - → 4 H2O + 4 e - | KOH-lösning | O 2 + 2 H 2 O + 4 e - → 4 OH - | 60-140 °C [14] |
FC med protonutbytesmembran | 2H2- > 4H ++ 4e- _ | Protonbytesmembran | O2 + 4 H + + 4 e - → 2 H2O | 80 |
Metanol bränslecell | 2 CH 3 OH + 2 H 2 O → 2 CO 2 + 12 H + + 12 e - | Protonbytesmembran | 3O2 + 12 H + + 12 e - → 6 H2O | 60 |
FC baserad på fosforsyra | 2H2- > 4H ++ 4e- _ | Fosforsyralösning | O2 + 4 H + + 4 e - → 2 H2O | 200 |
FC baserad på smält karbonat | 2 H 2 + 2 CO 3 2− → 2 H 2 O + 2 CO 2 + 4 e − | Smält karbonat | O 2 + 2 CO 2 + 4 e − → 2 CO 3 2− | 650 |
Fastoxidbränsleceller | 2 H 2 + 2 O 2 - → 2 H 2 O + 4 e - | blandning av oxider | O 2 + 4 e - → 2 O 2 - | 1000 |
Den elektrokemiska luft-aluminiumgeneratorn använder oxidationen av aluminium med atmosfäriskt syre för att producera elektricitet . Den strömgenererande reaktionen i den kan representeras som
och korrosionsreaktionen
Allvarliga fördelar med en luft-aluminium elektrokemisk generator är: hög (upp till 50%) effektivitet , inga skadliga utsläpp, lätt underhåll [15] .
Vätebränsleceller har ett antal värdefulla egenskaper, inklusive:
Hög effektivitet
Fördelar: Endast vattenånga släpps ut i luften , vilket inte skadar miljön. Detta stämmer väl överens med begreppet "noll koldioxidutsläpp", liksom - a priori - frånvaron av andra skadliga gaser i reaktionsprodukterna, såsom kolmonoxid, svaveldioxid, etc. Vissa källor rapporterar argument Against , insisterar på att väte, som läcker från både cylindern och bränslecellen, är lättare än luft, stiger till atmosfärens övre skikt och bildar tillsammans med helium en slags "jordens krona" och lämnar oåterkalleligen jordens atmosfär i flera år, vilket , med den massiva användningen av väteteknik, kan leda till global förlust av vatten om väte produceras genom dess elektrolys. [17] . Ändå väcker detta faktum allvarliga tvivel och motstår, ur vetenskapens synvinkel, ingen kritik: förluster på grund av vätediffusion under dess produktion och lagring för tekniska ändamål är knappa jämfört med vattenreserver.
Kompakta måttBränsleceller är lättare och mindre än traditionella nätaggregat. Bränsleceller producerar mindre buller, genererar mindre värme och är mer effektiva när det gäller bränsleförbrukning. Detta blir särskilt relevant i militära tillämpningar. Till exempel bär en soldat i den amerikanska armén 22 olika typer av uppladdningsbara batterier. ; genomsnittlig batterieffekt 20 watt. Användningen av bränsleceller kommer att minska logistikkostnaderna, minska vikten och förlänga livslängden på instrument och utrustning.
Den totala ägandekostnaden för väte-luftsystem är betydligt lägre än för konventionella elektrokemiska batterier. Dessutom har de den högsta feltoleransen på grund av frånvaron av rörliga delar av mekanismerna, de behöver inget underhåll och deras livslängd når 15 år, vilket överträffar klassiska elektrokemiska batterier upp till fem gånger.
Införandet av bränsleceller i transporter hämmas av bristen på en vätgasinfrastruktur . Det finns ett "kyckling och ägg"-problem - varför tillverka vätgasbilar om det inte finns någon infrastruktur? Varför bygga en vätgasinfrastruktur om det inte finns någon vätgastransport?
De flesta element genererar en viss mängd värme under drift. Detta kräver skapandet av komplexa tekniska anordningar för värmeåtervinning (ångturbiner, etc.), såväl som organisering av bränsle- och oxidationsmedelsflöden, styrsystem för kraftuttag , membranhållbarhet, förgiftning av katalysatorer av vissa biprodukter av bränsle oxidation och andra uppgifter. Men samtidigt tillåter processens höga temperatur produktion av termisk energi, vilket avsevärt ökar kraftverkets effektivitet.
Problemet med katalysatorförgiftning och membranets hållbarhet löses genom att skapa ett element med självläkande mekanismer - regenerering av enzymkatalysatorer .
Bränsleceller, på grund av den låga hastigheten av kemiska reaktioner, har en betydande tröghet och för drift under förhållanden med topp- eller impulsbelastningar kräver en viss effektreserv eller användning av andra tekniska lösningar ( superkondensatorer , batterier).
Det finns också problemet med att erhålla och lagra väte . För det första måste den vara tillräckligt ren för att förhindra snabb förgiftning av katalysatorn , och för det andra måste den vara tillräckligt billig så att kostnaden är kostnadseffektiv för slutanvändaren.
Av de enkla kemiska grundämnena är väte och kol ytterligheter. Väte har det högsta specifika förbränningsvärmet, men mycket låg densitet och hög reaktivitet. Kol har det högsta specifika förbränningsvärmet bland fasta grundämnen, en ganska hög densitet, men låg kemisk aktivitet på grund av aktiveringsenergi. Den gyllene medelvägen är kolhydrat (socker) eller dess derivat (etanol) eller kolväten (flytande och fasta). Den emitterade koldioxiden bör delta i planetens allmänna andningscykel och inte överskrida de högsta tillåtna koncentrationerna.
Det finns många sätt att producera väte , men för närvarande kommer cirka 50 % av det väte som produceras över hela världen från naturgas . Alla andra metoder är fortfarande mycket dyra. Uppenbarligen, med en konstant balans av primära energibärare, med en ökning av efterfrågan på väte som massbränsle och utvecklingen av konsumenternas motståndskraft mot föroreningar, kommer produktionstillväxten att växa just på grund av denna andel, och med utvecklingen av infrastruktur som gör det är möjligt att ha det tillgängligt, dyrare (men bekvämare i vissa situationer) metoder kommer att dö ut. Andra sätt på vilka väte är involverat som en sekundär energibärare jämnar oundvikligen ut sin roll från bränsle till ett slags kemiskt batteri. Det finns en uppfattning om att med de stigande energipriserna så stiger också kostnaderna för väte oundvikligen på grund av detta. Men kostnaden för energi som produceras från förnybara källor minskar ständigt (se Vindkraft , Vätgasproduktion ). Till exempel steg det genomsnittliga elpriset i USA under 2007 till 0,09 USD per kWh , medan kostnaden för el som genereras från vind är 0,04-0,07 USD (se Wind Energy eller AWEA ). I Japan kostar en kilowattimme el cirka 0,2 dollar [18] . Med tanke på den territoriella avlägsen av vissa lovande områden (t.ex. är det helt klart meningslöst att transportera elektriciteten som tas emot av solcellsstationer från Afrika direkt via tråd, trots dess enorma energipotential i detta avseende), till och med driften av väte som ett "kemiskt batteri". ” kan vara ganska lönsamt. Enligt uppgifter från 2010 borde kostnaden för vätebränslecellsenergi bli åtta gånger billigare för att bli konkurrenskraftig med den energi som produceras av värme- och kärnkraftverk [13] .
Tyvärr kommer väte som produceras av naturgas att innehålla CO och vätesulfid , vilket förgiftar katalysatorn. Därför, för att minska katalysatorförgiftning, är det nödvändigt att öka temperaturen på bränslecellen. Redan vid en temperatur på 160 °C kan 1 % CO finnas i bränslet.
Nackdelarna med bränsleceller med platinakatalysatorer inkluderar den höga kostnaden för platina, svårigheten att rena väte från de ovannämnda föroreningarna och, som ett resultat, den höga kostnaden för gas, och den begränsade resursen hos elementet på grund av förgiftning av katalysatorn med föroreningar. Dessutom är platina för katalysatorn en icke-förnybar resurs. Man tror att dess reserver kommer att räcka för 15-20 års produktion av element [19] .
Som ett alternativ till platinakatalysatorer undersöks möjligheten att använda enzymer. Enzymer är ett förnybart material, de är billiga, de förgiftas inte av de viktigaste föroreningarna i billigt bränsle. De har specifika fördelar [19] . Enzymers okänslighet för CO och vätesulfid gjorde det möjligt att få väte från biologiska källor, till exempel vid omvandling av organiskt avfall.
Dessutom är väte också extremt brandfarligt och explosivt. Även vid hård frost kan den spontant blossa upp när den kommer in i atmosfärsluften.
Bränsleceller användes ursprungligen endast inom rymdindustrin , men för närvarande utökas tillämpningsområdet ständigt. De används i stationära kraftverk , som autonoma värme- och kraftkällor för byggnader, i fordonsmotorer, som kraftkällor för bärbara datorer och mobiltelefoner. Vissa av dessa enheter har ännu inte lämnat laboratorieväggarna, medan andra redan är kommersiellt tillgängliga och har använts under lång tid.
Kraftverk baserade på bränsleceller används i stor utsträckning. I grund och botten arbetar sådana anläggningar på grundval av element baserade på smälta karbonater, fosforsyra och fasta oxider. I regel används sådana installationer inte bara för att generera el, utan också för att producera värme.
Stora ansträngningar görs för att utveckla hybridanläggningar där högtemperaturbränsleceller kombineras med gasturbiner. Effektiviteten för sådana installationer kan nå 74,6% med förbättring av gasturbiner.
Lågeffektinstallationer baserade på bränsleceller produceras också aktivt.
Applikationsområde | Kraft | Exempel på användning |
---|---|---|
Stationära installationer | 5-250 kW och uppåt | Autonoma värme- och kraftkällor för bostäder, offentliga och industriella byggnader, avbrottsfri strömförsörjning, reserv- och nödströmförsörjning |
Bärbara enheter | 1-50 kW | Vägskyltar, kylbilar och järnvägar, rullstolar, golfbilar, rymdfarkoster och satelliter |
Transport | 25-150 kW | Bilar och andra fordon, krigsfartyg och ubåtar |
Bärbara enheter | 1-500 W | Mobiltelefoner, bärbara datorer, handdatorer, olika hemelektronikapparater, moderna militära apparater |
I februari 2021 introducerade Toyota modulära vätgasbränsleceller för ett brett utbud av 60kW och 80kW effekttillämpningar. [20] [21]
Dessutom vätebränslecellsdrönare . [22]
Den 19 augusti 2004 utfärdade International Electrotechnical Commission (IEC, IEC) den första internationella standarden IEC 62282-2 "Fuel Cell Technologies. Del 2, Bränslecellsmoduler. Det var den första standarden i IEC 62282-serien, utvecklad av Fuel Cell Technology Technical Committee (TC/IEC 105); CU/IEC 105 tekniska kommittén består av permanenta representanter från 17 länder och observatörer från 15 länder.
TC/IEC 105 har utvecklat och publicerat 14 internationella standarder i IEC 62282-serien som täcker ett brett spektrum av ämnen relaterade till standardisering av bränslecellskraftverk. Federal Agency for Technical Regulation and Metroology of the Russian Federation (ROSSTANDART) är en kollektiv medlem av TS/IEC 105 tekniska kommittén som observatör. Samordningsaktiviteter med IEC från Ryska federationen utförs av sekretariatet för RosMEK ( Rosstandart ), och arbetet med implementeringen av IEC-standarder utförs av National Technical Committee for Standardization TK 029 "Hydrogen Technologies", National Association of Hydrogen Energy (NAVE) och KVT LLC. För närvarande har Rosstandart antagit följande nationella och mellanstatliga standarder som är identiska med internationella IEC-standarder:
GOST R 56188.1-2014/IEC/TS 62282-1:2010 "Bränslecellsteknologier. Del 1. Terminologi”;
GOST R IEC 62282-2-2014 "Bränslecellsteknologier. Del 2. Bränslecellsmoduler”;
GOST R IEC 62282-3-100-2014 "Bränslecellsteknologier. Del 3-100. Stationära kraftverk på bränsleceller. Säkerhet";
GOST R IEC 62282-3-200-2014 "Bränslecellsteknologier. Del 3-200. Stationära kraftverk på bränsleceller. Testmetoder för bestämning av prestandaegenskaper”;
GOST IEC 62282-3-201-2016 "Bränslecellsteknologier. Del 3-201. Stationära kraftverk på bränsleceller. Testmetoder för att bestämma prestanda hos lågeffektsystem”;
GOST IEC 62282-3-300-2016 "Bränslecellsteknik. Del 3-300. Stationära kraftverk på bränsleceller. Montering";
GOST IEC 62282-5-1-2016 "Bränslecellsteknologier. Del 5-1 Bärbara bränslecellskraftverk. Säkerhet"
GOST IEC 62282-7-1-2016 "Fuel Cell Technologies. Del 7-1: Encellstestmetoder för polymerelektrolytbränsleceller.
Energi | |||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
struktur efter produkter och branscher | |||||||||||||||||||||||||||
Kraftindustri : el |
| ||||||||||||||||||||||||||
Värmetillförsel : värmeenergi |
| ||||||||||||||||||||||||||
Bränsleindustri : bränsle _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
Lovande energi : |
| ||||||||||||||||||||||||||
Portal: Energi |