En brændselscelle ( engelsk brændselscelle ) er en elektrokemisk enhed, en kemisk strømkilde, der omdanner brændstofs kemiske energi til elektrisk energi ved en direkte metode. Den elektromotoriske kraft genereres i brændselscellen som følge af elektrokemiske processer fra konstant indkommende aktive stoffer [1] .
De mest avancerede kommercielt tilgængelige strømkilder er lavtemperaturbrændselsceller med en driftstemperatur under 200 °C . De bruger brint , flydende kulbrinter og andre typer brændstof som brændstof , normalt platin som katalysator [2] .
Effektiviteten af fremstillede brændselsceller når op på 60 % [3] , som i de mest avancerede kraftværker med et kombianlæg. I hybridanlæg, hvor brændselsceller bruges sammen med dampmaskiner, kan effektiviteten nå op på 75 % [4] .
Brændselsceller har et højt niveau af miljøsikkerhed , de kan bruge vedvarende brændstoffer [5] .
Brændselsceller er elektrokemiske anordninger, der teoretisk kan have en høj konverteringshastighed af kemisk energi til elektrisk energi .
Typisk bruger lavtemperaturbrændselsceller: brint på anodesiden og oxygen på katodesiden (brintcelle) eller methanol og oxygen i luften.
Princippet om adskillelse af brændstof og oxidationsmiddelstrømmeI brændselscellen strømmer reaktanterne ind, reaktionsprodukterne strømmer ud, og reaktionen kan forløbe, så længe reaktanterne kommer ind i den, og reaktiviteten af selve brændselscellens komponenter er bevaret, oftest bestemt af deres "forgiftning" biprodukter af utilstrækkeligt rene udgangsmaterialer.
Galvaniske engangsceller og -batterier indeholder i modsætning til brændselsceller forbrugsbare faste eller flydende reagenser, hvis masse er begrænset af batteriernes volumen, og når den elektrokemiske reaktion stopper, skal de udskiftes med nye eller genoplades elektrisk for at starte omvendt kemisk reaktion, eller i det mindste skal de udskifte de brugte elektroder og forurenet elektrolyt.
Brændselsceller kan ikke lagre elektrisk energi som galvaniske eller genopladelige batterier, men til nogle applikationer, såsom kraftværker, der opererer isoleret fra det elektriske system , og bruger intermitterende energikilder (sol, vind), kombineres de med elektrolysatorer , kompressorer og brændstoftanke (brintcylindre) danner en energilagringsenhed.
En protonudvekslingsmembran (f.eks. " polymerelektrolyt ") hydrogen-oxygenbrændselscelle indeholder en protonledende polymermembran, der adskiller to elektroder, en anode og en katode ; hver elektrode er normalt en kulstofplade (matrix) med en aflejret katalysator - platin eller en legering af platinoider og andre sammensætninger.
Ved anodekatalysatoren dissocierer molekylært hydrogen og taber elektroner . Brintkationer ledes gennem membranen til katoden, men elektroner afgives til det eksterne kredsløb, da membranen ikke tillader elektroner at passere igennem.
På katodekatalysatoren kombineres et oxygenmolekyle med en elektron (som forsynes fra ekstern kommunikation) og en indkommende proton og danner vand, som er det eneste reaktionsprodukt (i form af damp og/eller væske ).
Membranen tillader ledning af protoner , men ikke elektroner . Det kan være polymert (Nafion , polybenzimidazol , etc.) eller keramisk ( oxid , etc.). Der er dog FC'er uden membran [6] .
Anoden og katoden er som regel simpelthen en ledende katalysator - platin aflejret på en højt udviklet kulstofoverflade.
Den naturlige brændselscelle er mitokondrierne i den levende celle. Mitokondrier behandler organisk "brændstof" - pyruvater og fedtsyrer , syntetiserer ATP - en universel energikilde til alle biokemiske processer i levende organismer, samtidig med at de skaber en forskel i elektriske potentialer på deres indre membran. Det er imidlertid vanskeligt at kopiere denne proces til at producere elektricitet i industriel skala, da mitokondriers protonpumper er af proteinkarakter.
I 1839 blev et notat offentliggjort af den britiske videnskabsmand William Robert Grove , hvori han beskrev et eksperiment, hvor han opdagede en "permanent afbøjning" af en galvanometernål mellem to platinelektroder, den ene badet i ilt, den anden i brint [7 ] . Senere fandt han ud af, at elektrolyseprocessen er reversibel, det vil sige, at brint og ilt kan kombineres til vandmolekyler uden forbrænding, men med frigivelse af varme og elektricitet [8] . Videnskabsmanden kaldte sin enhed, hvor han formåede at udføre denne reaktion, et "gasbatteri", og det var den første brændselscelle.
I 1937 begyndte professor F. Bacon arbejdet med sin brændselscelle. I slutningen af 1950'erne havde han udviklet et batteri på 40 brændselsceller med en effekt på 5 kW. Et sådant batteri kunne bruges til at levere energi til en svejsemaskine eller en gaffeltruck [9] . Batteriet fungerede ved høje temperaturer i størrelsesordenen 200°C eller mere og tryk på 20-40 bar . Derudover var det meget massivt.
Den russiske elektroingeniør P.N. Yablochkov modtog patent (N.187139) på et elektrisk element med mekanisk polarisering (brændselscelle) i 1887, mens han boede i Frankrig på det tidspunkt. I USSR udkom de første publikationer om brændselsceller i 1941 .
De første undersøgelser begyndte i 60'erne . RSC Energia (siden 1966) udviklede phosphorsyre (PAFC) brændselsceller til det sovjetiske måneprogram . Fra 1987 til 2005 Energia producerede omkring 100 brændselsceller, som i alt har akkumuleret omkring 80 tusinde timer.
Under arbejdet med Buran -programmet (1980'erne) blev der udviklet alkaliske (AFC) elementer, der opfylder betingelserne og kravene til flyvningen. Buran var udstyret med 10 kilowatt brændselsceller.
I 1970'erne og 1980'erne udviklede NPO Kvant sammen med RAF Riga Bus Plant alkaliske elementer til busser. En prototype af en sådan brændselscellebus ( Kvant-RAF ) blev lavet i 1982 .
I 1989 producerede Institute of High Temperature Electrochemistry ( Yekaterinburg ) den første SOFC-enhed med fast oxid[ hvad? ] med en effekt på 1 kW.
I 1999 begyndte AvtoVAZ at arbejde med brændselsceller. I 2003 blev flere prototyper skabt på grundlag af VAZ-2131- bilen. Brændselscellebatterierne var placeret i bilens motorrum, og tankene med komprimeret brint var i bagagerummet, det vil sige, at det klassiske arrangement af kraftenheden og brændstofcylindrene blev brugt. Udviklingen af en brintbil blev ledet af kandidat for tekniske videnskaber G.K. Mirzoev.
Den 10. november 2003 blev den generelle aftale om samarbejde mellem Det Russiske Videnskabsakademi og Norilsk Nickel underskrevet inden for brintenergi og brændselsceller [10] . Dette førte til etableringen [11] den 4. maj 2005 af National Innovation Company "New Energy Projects" (NIK NEP), som i 2006 producerede et standby-kraftværk baseret på brændselsceller med en fast polymerelektrolyt med en kapacitet på 1 kW. Ifølge nyhedsbureauet MFD-InfoCenter likviderer MMC Norilsk Nickel imidlertid New Energy Projects-selskabet som en del af den beslutning, der blev annonceret i begyndelsen af 2009 om at slippe af med ikke-kerne- og urentable aktiver [12] .
I 2008 blev virksomheden InEnergy grundlagt , som beskæftiger sig med forsknings- og udviklingsarbejde inden for elektrokemiske teknologier og strømforsyningssystemer. Ifølge resultaterne af forskningen er der i samarbejde med det russiske videnskabsakademis førende institutter (IPCP, IFTT og IHTTM) blevet implementeret en række pilotprojekter, der har vist høj effektivitet. For MTS -virksomheden blev et modulært backup-kraftsystem baseret på brint-luft-brændselsceller skabt og sat i drift , bestående af en brændselscelle, et kontrolsystem, en energilagringsenhed og en konverter; systemeffekt op til 10 kW.
Brint-luft energisystemer har en række ubestridelige fordele, herunder et bredt driftstemperaturområde for det ydre miljø (-40..+60 °C), høj effektivitet (op til 60%), ingen støj og vibrationer, hurtig start, kompakthed og miljøvenlighed (vand , som følge af "udstødning").
Gazprom og føderale nukleare centre i Den Russiske Føderation arbejder på at skabe prøver af brændselscellekraftværker . Fastoxidbrændselsceller , som i øjeblikket aktivt udvikles, vil tilsyneladende dukke op efter 2016.
Brændselscelle type | Reaktion ved anoden | Elektrolyt | Reaktion ved katoden | Temperatur, °C |
---|---|---|---|---|
alkalisk brændselscelle | 2 H 2 + 4 OH - → 4 H 2 O + 4 e - | KOH opløsning | O 2 + 2 H 2 O + 4 e - → 4 OH - | 60-140 °C [14] |
FC med protonudvekslingsmembran | 2H2- > 4H ++ 4e- _ | Protonudvekslingsmembran | O 2 + 4 H + + 4 e - → 2 H 2 O | 80 |
Methanol brændselscelle | 2 CH 3 OH + 2 H 2 O → 2 CO 2 + 12 H + + 12 e - | Protonudvekslingsmembran | 302 + 12 H + + 12 e - → 6 H2O | 60 |
FC baseret på fosforsyre | 2H2- > 4H ++ 4e- _ | Fosforsyreopløsning | O 2 + 4 H + + 4 e - → 2 H 2 O | 200 |
FC baseret på smeltet carbonat | 2 H 2 + 2 CO 3 2− → 2 H 2 O + 2 CO 2 + 4 e − | Smeltet carbonat | O 2 + 2 CO 2 + 4 e − → 2 CO 3 2− | 650 |
Fast oxid brændselsceller | 2 H 2 + 2 O 2 − → 2 H 2 O + 4 e − | blanding af oxider | O 2 + 4 e - → 2 O 2 - | 1000 |
Den luft-aluminium elektrokemiske generator bruger oxidation af aluminium med atmosfærisk oxygen til at producere elektricitet . Den strømgenererende reaktion i den kan repræsenteres som
og korrosionsreaktionen
Alvorlige fordele ved en luft-aluminium elektrokemisk generator er: høj (op til 50%) effektivitet , ingen skadelige emissioner, nem vedligeholdelse [15] .
Brintbrændselsceller har en række værdifulde kvaliteter, herunder:
Høj effektivitet
Fordele: Kun vanddamp frigives til luften , hvilket ikke skader miljøet. Dette passer godt med begrebet "nul udledning af kuldioxid", såvel som - a priori - fraværet af andre skadelige gasser i reaktionsprodukterne, såsom kulilte, svovldioxid osv. Nogle kilder rapporterer argumenter Imod , insisterer på, at brint, der siver fra både cylinderen og brændselscellen, og som er lettere end luft, stiger til de øverste lag af atmosfæren og danner sammen med helium en slags "jordens krone" og forlader uigenkaldeligt jordens atmosfære i flere år, hvilket , med den massive brug af brintteknologier, kan føre til globalt tab af vand, hvis brint produceres ved dets elektrolyse. [17] . Ikke desto mindre rejser denne kendsgerning alvorlig tvivl og modstår fra et videnskabssynspunkt ingen kritik: tab på grund af brintdiffusion under produktion og opbevaring til teknologiske formål er sparsomme sammenlignet med vandreserver.
Kompakte dimensionerBrændselsceller er lettere og mindre end traditionelle strømforsyninger. Brændselsceller producerer mindre støj, genererer mindre varme og er mere effektive med hensyn til brændstofforbrug. Dette bliver især relevant i militære applikationer. For eksempel bærer en soldat fra den amerikanske hær 22 forskellige typer genopladelige batterier. ; gennemsnitlig batterieffekt 20 watt. Brugen af brændselsceller vil reducere logistikomkostningerne, reducere vægten og forlænge levetiden af instrumenter og udstyr.
De samlede omkostninger ved ejerskab af brint-luft-systemer er væsentligt lavere end konventionelle elektrokemiske batterier. Derudover har de den højeste fejltolerance på grund af fraværet af bevægelige dele af mekanismerne, de behøver ikke vedligeholdelse, og deres levetid når 15 år og overgår klassiske elektrokemiske batterier op til fem gange.
Indførelsen af brændselsceller i transport er hæmmet af manglen på en brintinfrastruktur . Der er et "kylling og æg"-problem - hvorfor producere brintbiler, hvis der ikke er nogen infrastruktur? Hvorfor bygge en brintinfrastruktur, hvis der ikke er brinttransport?
De fleste elementer genererer en vis mængde varme under drift. Dette kræver oprettelse af komplekse tekniske enheder til varmegenvinding (dampturbiner osv.), samt organisering af brændstof- og oxidationsstrømme, kraftudtagskontrolsystemer , membranholdbarhed, forgiftning af katalysatorer med nogle biprodukter fra brændstof oxidation og andre opgaver. Men samtidig tillader processens høje temperatur produktion af termisk energi, hvilket øger kraftværkets effektivitet betydeligt.
Problemet med katalysatorforgiftning og membranholdbarhed løses ved at skabe et element med selvhelbredende mekanismer - regenerering af enzymkatalysatorer .
Brændselsceller har på grund af den lave hastighed af kemiske reaktioner en betydelig inerti og til drift under forhold med spids- eller impulsbelastninger kræver en vis strømreserve eller brug af andre tekniske løsninger ( superkondensatorer , batterier).
Der er også problemet med at opnå og opbevare brint . For det første skal den være ren nok til at forhindre hurtig forgiftning af katalysatoren , og for det andet skal den være billig nok, så dens omkostninger er omkostningseffektive for slutbrugeren.
Af de simple kemiske grundstoffer er brint og kulstof ekstremer. Brint har den højeste specifikke forbrændingsvarme, men meget lav densitet og høj reaktivitet. Kulstof har den højeste specifikke forbrændingsvarme blandt faste elementer, en ret høj massefylde, men lav kemisk aktivitet på grund af aktiveringsenergi. Den gyldne middelvej er kulhydrat (sukker) eller dets derivater (ethanol) eller kulbrinter (flydende og fast). Den udledte kuldioxid bør deltage i planetens generelle åndedrætscyklus og ikke overstige de maksimalt tilladte koncentrationer.
Der er mange måder at producere brint på, men i øjeblikket kommer omkring 50% af den brint, der produceres på verdensplan, fra naturgas . Alle andre metoder er stadig meget dyre. Det er klart, at med en konstant balance mellem primære energibærere, med en stigning i efterspørgslen efter brint som massebrændstof og udviklingen af forbrugernes modstandsdygtighed over for forurening, vil produktionsvæksten vokse netop på grund af denne andel, og med udviklingen af infrastruktur, der gør det er muligt at have det tilgængeligt, dyrere (men mere bekvemme i nogle situationer) metoder vil dø ud. Andre måder, hvorpå brint er involveret som en sekundær energibærer, udjævner uundgåeligt sin rolle fra brændstof til en slags kemisk batteri. Der er en opfattelse af, at med stigningen i energipriserne stiger prisen på brint også uundgåeligt på grund af dette. Men prisen på energi produceret fra vedvarende kilder falder konstant (se Vindkraft , Brintproduktion ). For eksempel steg gennemsnitsprisen på elektricitet i USA i 2007 til $0,09 pr. kWh , mens prisen på elektricitet produceret fra vind er $0,04-$0,07 (se Wind Energy eller AWEA ). I Japan koster en kilowatt-time elektricitet omkring $0,2 [18] . I betragtning af den territoriale afsides beliggenhed af nogle lovende områder (f.eks. er det klart forgæves at transportere den elektricitet, der modtages af fotovoltaiske stationer fra Afrika direkte via ledning, på trods af dets enorme energipotentiale i denne henseende), selv driften af brint som et "kemisk batteri ” kan være ret indbringende. Ifølge data fra 2010 skulle prisen på brintbrændselscelleenergi blive otte gange billigere for at blive konkurrencedygtig med den energi, der produceres af termiske og atomkraftværker [13] .
Desværre vil brint fremstillet af naturgas indeholde CO og svovlbrinte , hvilket forgifter katalysatoren. For at reducere katalysatorforgiftning er det derfor nødvendigt at øge temperaturen på brændselscellen. Allerede ved en temperatur på 160 °C kan der være 1 % CO i brændstoffet.
Ulemperne ved brændselsceller med platinkatalysatorer omfatter de høje omkostninger ved platin, vanskeligheden ved at rense brint fra de førnævnte urenheder og som et resultat de høje omkostninger til gas og grundstoffets begrænsede ressource på grund af forgiftning af katalysatoren med urenheder. Derudover er platin til katalysatoren en ikke-fornyelig ressource. Det antages, at dets reserver vil være nok til 15-20 års produktion af elementer [19] .
Som et alternativ til platinkatalysatorer undersøges muligheden for at anvende enzymer. Enzymer er et fornybart materiale, de er billige, de er ikke forgiftede af de vigtigste urenheder i billigt brændstof. De har særlige fordele [19] . Enzymers ufølsomhed over for CO og svovlbrinte gjorde det muligt at opnå brint fra biologiske kilder, for eksempel under omdannelsen af organisk affald.
Derudover er brint også ekstremt brandfarligt og eksplosivt. Selv i hård frost kan den spontant blusse op, når den kommer ind i den atmosfæriske luft.
Brændselsceller blev oprindeligt kun brugt i rumindustrien , men på nuværende tidspunkt udvides deres anvendelsesområde konstant. De bruges i stationære kraftværker , som autonome kilder til varme og strømforsyning til bygninger, i køretøjsmotorer, som strømkilder til bærbare computere og mobiltelefoner. Nogle af disse enheder har endnu ikke forladt laboratoriernes vægge, mens andre allerede er kommercielt tilgængelige og har været brugt i lang tid.
Kraftværker baseret på brændselsceller er meget udbredt. Dybest set opererer sådanne anlæg på basis af elementer baseret på smeltede carbonater, fosforsyre og faste oxider. Som regel bruges sådanne installationer ikke kun til at generere elektricitet, men også til at producere varme.
Der gøres en stor indsats for at udvikle hybridanlæg, hvor højtemperaturbrændselsceller kombineres med gasturbiner. Effektiviteten af sådanne installationer kan nå 74,6% med forbedring af gasturbiner.
Laveffektinstallationer baseret på brændselsceller produceres også aktivt.
Anvendelsesområde | Strøm | Eksempler på brug |
---|---|---|
Stationære installationer | 5-250 kW og derover | Autonome kilder til varme- og strømforsyning til boliger, offentlige og industrielle bygninger, uafbrydelige strømforsyninger, backup- og nødstrømforsyninger |
Bærbare enheder | 1-50 kW | Vejskilte, kølebiler og jernbaner, kørestole, golfvogne, rumfartøjer og satellitter |
Transportere | 25-150 kW | Biler og andre køretøjer, krigsskibe og ubåde |
Bærbare enheder | 1-500 W | Mobiltelefoner, bærbare computere, PDA'er, forskellige elektroniske forbrugere, moderne militære enheder |
I februar 2021 introducerede Toyota modulære brintbrændselsceller til en bred vifte af 60kW og 80kW effektudgangsapplikationer. [20] [21]
Også brintbrændselscelledroner . [22]
Den 19. august 2004 udsendte Den Internationale Elektrotekniske Kommission (IEC, IEC) den første internationale standard IEC 62282-2 "Fuel Cell Technologies. Del 2, Brændselscellemoduler. Det var den første standard i IEC 62282-serien, udviklet af Fuel Cell Technology Technical Committee (TC/IEC 105); Den tekniske komité CU/IEC 105 omfatter permanente repræsentanter fra 17 lande og observatører fra 15 lande.
TC/IEC 105 har udviklet og offentliggjort 14 internationale standarder i IEC 62282-serien, der dækker en bred vifte af emner relateret til standardisering af brændselscellekraftværker. Det føderale agentur for teknisk regulering og metrologi i Den Russiske Føderation (ROSSTANDART) er et kollektivt medlem af TS/IEC 105 tekniske udvalg som observatør. Koordineringsaktiviteter med IEC fra Den Russiske Føderation udføres af sekretariatet for RosMEK ( Rosstandart ), og arbejdet med implementering af IEC-standarder udføres af National Technical Committee for Standardization TK 029 "Hydrogen Technologies", National Association of Hydrogen Energy (NAVE) og KVT LLC. I øjeblikket har Rosstandart vedtaget følgende nationale og mellemstatslige standarder, der er identiske med internationale IEC-standarder:
GOST R 56188.1-2014/IEC/TS 62282-1:2010 "Brændselscelleteknologier. Del 1. Terminologi”;
GOST R IEC 62282-2-2014 "Brændselscelleteknologier. Del 2. Brændselscellemoduler”;
GOST R IEC 62282-3-100-2014 "Brændselscelleteknologier. Del 3-100. Stationære kraftværker på brændselsceller. Sikkerhed";
GOST R IEC 62282-3-200-2014 "Brændselscelleteknologier. Del 3-200. Stationære kraftværker på brændselsceller. Testmetoder til bestemmelse af præstationskarakteristika";
GOST IEC 62282-3-201-2016 "Brændselscelleteknologier. Del 3-201. Stationære kraftværker på brændselsceller. Testmetoder til bestemmelse af ydeevnen af laveffektsystemer";
GOST IEC 62282-3-300-2016 "Brændselscelleteknologier. Del 3-300. Stationære kraftværker på brændselsceller. Montering";
GOST IEC 62282-5-1-2016 "Brændselscelleteknologier. Del 5-1 Bærbare brændselscellekraftværker. Sikkerhed"
GOST IEC 62282-7-1-2016 "Brændselscelleteknologier. Del 7-1: Enkeltcelletestmetoder for polymerelektrolytbrændselsceller.
Energi | |||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
struktur efter produkter og brancher | |||||||||||||||||||||||||||
Elindustri : elektricitet |
| ||||||||||||||||||||||||||
Varmeforsyning : varmeenergi |
| ||||||||||||||||||||||||||
Brændstofindustri : brændstof _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
Lovende energi : |
| ||||||||||||||||||||||||||
Portal: Energi |