Sa stanovišta "zelene" energije, vodonične gorivne ćelije imaju izuzetno visoku efikasnost - 60%. Za poređenje: efikasnost najboljih motora unutrašnjim sagorevanjem iznosi 35-40%. Za solarne elektrane koeficijent je samo 15-20%, ali u velikoj mjeri ovisi o vremenskim prilikama. Efikasnost najboljih vjetroelektrana s lopaticama dostiže 40%, što je uporedivo sa generatorima pare, ali vjetroturbine također zahtijevaju odgovarajuće vremenske uslove i skupo održavanje.

Kao što vidimo, prema ovom parametru, energija vodika je najatraktivniji izvor energije, ali i dalje postoji niz problema koji sprečavaju njenu masovnu primjenu. Najvažniji od njih je proces proizvodnje vodika.

Problemi s rudarstvom

Energija vodika je ekološki prihvatljiva, ali nije autonomna. Da bi radila, gorivnoj ćeliji je potreban vodonik, koji se na Zemlji ne nalazi u svom čistom obliku. Vodonik treba nabaviti, ali sve postojeće metode su ili vrlo skupe ili neefikasne.

Najefikasniji metod u smislu količine proizvedenog vodonika po jedinici utrošene energije je parno reformisanje prirodnog gasa. Metan se kombinuje sa vodenom parom pri pritisku od 2 MPa (oko 19 atmosfera, tj. pritisku na dubini od oko 190 m) i temperaturi od oko 800 stepeni, što rezultira pretvorenim gasom sa sadržajem vodonika od 55-75%. Reformiranje parom zahtijeva ogromne pogone koji se mogu koristiti samo u proizvodnji.

Cjevasta peć za parni reforming metana nije najergonomskiji način za proizvodnju vodika. Izvor: CTK-Euro

Pogodnija i jednostavnija metoda je elektroliza vode. Kada električna struja prođe kroz tretiranu vodu, dolazi do niza elektrohemijskih reakcija koje rezultiraju stvaranjem vodika. Značajan nedostatak ove metode je velika potrošnja energije potrebna za reakciju. Odnosno, ispada pomalo čudna situacija: da biste dobili energiju vodika, potrebna vam je ... energija. Kako bi izbjegli nepotrebne troškove tokom elektrolize i uštedjeli dragocjene resurse, neke kompanije nastoje razviti sisteme električna energija-vodonik-električna energija punog ciklusa u kojima je proizvodnja energije moguća bez vanjskog dopunjavanja. Primer takvog sistema je razvoj Toshiba H2One.

Toshiba H2One mobilna elektrana

Razvili smo mobilnu mini elektranu H2One koja pretvara vodu u vodonik i vodonik u energiju. Za održavanje elektrolize koristi se solarni paneli, a višak energije se skladišti u baterijama i osigurava rad sistema u nedostatku sunčeve svjetlosti. Dobijeni vodonik se ili dovodi direktno u gorivne ćelije ili se skladišti u integrisanom rezervoaru. H2One elektrolizer proizvodi do 2 m 3 vodonika na sat, a na izlazu daje snagu do 55 kW. Za proizvodnju 1 m 3 vodonika stanici je potrebno do 2,5 m 3 vode.

Dok H2One stanica nije u mogućnosti da snabdijeva strujom veliko preduzeće odn cijeli grad, ali za funkcioniranje malih područja ili organizacija njegova energija će biti sasvim dovoljna. Zahvaljujući svojoj mobilnosti, može se koristiti i kao privremeno rješenje u prirodnih katastrofa ili hitni nestanak struje. Osim toga, za razliku od dizel generatora, kojem je za normalno funkcioniranje potrebno gorivo, elektrani na vodik potrebna je samo voda.

Trenutno se Toshiba H2One koristi samo u nekoliko gradova u Japanu – na primjer, opskrbljuje strujom i toplom vodom željezničku stanicu u gradu Kawasaki.

Instalacija H2One sistema u Kawasakiju

Budućnost vodika

Sada vodonične gorivne ćelije obezbjeđuju energiju za prijenosne baterije, gradske autobuse s automobilima i željeznički transport. (Više o upotrebi vodika u automobilskoj industriji ćemo pokriti u našem sljedećem postu). Vodikove gorive ćelije neočekivano su se pokazale kao odlično rješenje za kvadrokoptere - sa istom masom kao i baterija, zaliha vodonika osigurava i do pet puta duže vrijeme leta. U ovom slučaju mraz ni na koji način ne utiče na efikasnost. Za snimanje Olimpijskih igara u Sočiju korišteni su eksperimentalni dronovi sa gorivnim ćelijama ruske kompanije AT Energy.

Postalo je poznato da će se na predstojećim Olimpijskim igrama u Tokiju vodonik koristiti u automobilima, u proizvodnji električne i toplotne energije, a postaće i glavni izvor energije za Olimpijsko selo. Da biste to učinili, po nalogu Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. U japanskom gradu Namieu gradi se jedna od najvećih svjetskih stanica za proizvodnju vodonika. Stanica će trošiti do 10 MW energije dobijene iz "zelenih" izvora, a elektrolizom će proizvoditi do 900 tona vodonika godišnje.

Energija vodika je naša „rezerva za budućnost“, kada će fosilna goriva morati biti potpuno napuštena, a obnovljivi izvori energije neće moći pokriti potrebe čovječanstva. Prema prognozi Markets&Markets, obim svjetske proizvodnje vodonika, koji sada iznosi 115 milijardi dolara, porast će na 154 milijarde dolara do 2022. Ali u bliskoj budućnosti, malo je vjerovatno da će se dogoditi masovno uvođenje tehnologije, i dalje je potrebno riješiti niz problema povezanih s proizvodnjom i radom specijalnih elektrana, kako bi se smanjili njihovi troškovi. Kada se prevaziđu tehnološke barijere, energija vodika će dostići novi nivo i, možda, biti raširena kao tradicionalna ili hidroenergija danas.

gorivne ćelije Gorivne ćelije su hemijski izvori energije. Oni vrše direktnu konverziju energije goriva u električnu energiju, zaobilazeći neefikasne procese sagorevanja sa velikim gubicima. Ovaj elektrohemijski uređaj, kao rezultat visokoefikasnog "hladnog" sagorevanja goriva, direktno proizvodi električnu energiju.

Biohemičari su ustanovili da je biološka vodonik-kiseonička gorivna ćelija "ugrađena" u svaku živu ćeliju (vidi Poglavlje 2).

Izvor vodonika u organizmu je hrana - masti, proteini i ugljeni hidrati. U želucu, crijevima, ćelijama, na kraju se razgrađuje do monomera, koji se, pak, nakon niza hemijske transformacije daju vodonik vezan za molekulu nosača.

Kiseonik iz vazduha ulazi u krv kroz pluća, spaja se sa hemoglobinom i prenosi se u sva tkiva. Proces spajanja vodonika sa kiseonikom je osnova bioenergetike organizma. Ovdje se, pod blagim uslovima (sobna temperatura, normalan pritisak, vodena sredina), hemijska energija sa velikom efikasnošću pretvara u toplotnu, mehaničku (pokret mišića), električnu (električna rampa), svjetlosnu (insekti koji emituju svjetlost).

Čovjek je još jednom ponovio napravu za dobijanje energije koju je stvorila priroda. Istovremeno, ova činjenica ukazuje na izglede pravca. Svi procesi u prirodi su vrlo racionalni, pa koraci ka stvarnoj upotrebi gorivnih ćelija ulijevaju nadu u energetsku budućnost.

Otkriće 1838. vodonik-kiseoničke gorivne ćelije pripada engleskom naučniku W. Groveu. Istražujući razgradnju vode na vodik i kiseonik, otkrio je nuspojavu - elektrolizer koji je proizvodio struja.

Šta gori u gorivnoj ćeliji?
Fosilna goriva (ugalj, gas i nafta) su uglavnom ugljenik. Tokom sagorevanja, atomi goriva gube elektrone, a atomi kiseonika u vazduhu ih dobijaju. Tako se u procesu oksidacije atomi ugljika i kisika spajaju u produkte izgaranja - molekule ugljičnog dioksida. Ovaj proces je snažan: atomi i molekuli tvari uključenih u izgaranje postižu velike brzine, a to dovodi do povećanja njihove temperature. Počinju emitovati svjetlost - pojavljuje se plamen.

Hemijska reakcija sagorevanja ugljika ima oblik:

C + O2 = CO2 + toplota

Tokom sagorevanja, hemijska energija se pretvara u toplotnu energiju zbog razmjene elektrona između atoma goriva i oksidatora. Ova razmjena se dešava nasumično.

Sagorijevanje je razmjena elektrona između atoma, a električna struja je usmjereno kretanje elektrona. Ako je u procesu hemijska reakcija uzrokovati da elektroni rade, temperatura procesa sagorijevanja će se smanjiti. U FC, elektroni se uzimaju iz reaktanata na jednoj elektrodi, daju svoju energiju u obliku električne struje i pridružuju se reaktantima na drugoj.

Osnova svakog HIT-a su dvije elektrode povezane elektrolitom. Gorivna ćelija se sastoji od anode, katode i elektrolita (vidi Poglavlje 2). Oksidira na anodi, tj. donira elektrone, redukciono sredstvo (CO ili H2 gorivo), slobodni elektroni iz anode ulaze u eksterno kolo, a pozitivni ioni se zadržavaju na interfejsu anoda-elektrolit (CO+, H+). S drugog kraja lanca elektroni se približavaju katodi na kojoj se odvija reakcija redukcije (dodavanje elektrona oksidacijskim sredstvom O2–). Joni oksidansa se zatim prenose elektrolitom do katode.

U FC se spajaju tri faze fizičko-hemijskog sistema:

gas (gorivo, oksidant);
elektrolit (provodnik jona);
metalna elektroda (provodnik elektrona).
U gorivim ćelijama energija redoks reakcije se pretvara u električnu energiju, a procesi oksidacije i redukcije su prostorno odvojeni elektrolitom. Elektrode i elektrolit ne sudjeluju u reakciji, ali u stvarnim projektima vremenom postaju kontaminirani nečistoćama goriva. Elektrohemijsko sagorevanje se može odvijati na niskim temperaturama i praktično bez gubitaka. Na sl. p087 prikazuje situaciju u kojoj mješavina plinova (CO i H2) ulazi u gorivu ćeliju, tj. može sagorevati gasovito gorivo (vidi Poglavlje 1). Tako se TE ispostavilo da je "svejedi".

Upotreba gorivnih ćelija je komplikovana činjenicom da se gorivo za njih mora "pripremiti". Za gorive ćelije, vodonik se dobija konverzijom organskog goriva ili gasifikacijom uglja. Dakle, blok dijagram elektrane na gorivu ćeliju, osim baterija gorivne ćelije, pretvarač jednosmerna struja u varijabilnoj (vidi poglavlje 3) i pomoćna oprema uključuje jedinicu za proizvodnju vodonika.

Dva pravca razvoja FK

Postoje dvije oblasti primjene gorivnih ćelija: autonomna i energija velikih razmjera.

Za autonomnu upotrebu, glavne su specifične karakteristike i jednostavnost upotrebe. Cijena proizvedene energije nije glavni pokazatelj.

Za veliku proizvodnju električne energije, efikasnost je odlučujući faktor. Osim toga, instalacije moraju biti izdržljive, ne sadrže skupe materijale i koristiti prirodna goriva uz minimalne troškove pripreme.

Najveće prednosti nudi upotreba gorivnih ćelija u automobilu. Ovdje će, kao nigdje drugdje, djelovati kompaktnost gorivnih ćelija. Uz direktan prijem električne energije iz goriva, ušteda potonjeg bit će oko 50%.

Po prvi put, ideju o korištenju gorivnih ćelija u elektroenergetici velikih razmjera formulirao je njemački znanstvenik W. Oswald 1894. godine. Kasnije se razvila ideja o stvaranju efikasnih izvora autonomne energije na bazi gorivne ćelije.

Nakon toga, opetovano se pokušavalo koristiti ugalj kao aktivnu tvar u gorivnim ćelijama. 1930-ih, njemački istraživač E. Bauer stvorio je laboratorijski prototip gorivne ćelije sa čvrstim elektrolitom za direktnu anodnu oksidaciju uglja. Istovremeno su proučavane gorivne ćelije kisik-vodik.

Godine 1958. u Engleskoj je F. Bacon stvorio prvu elektranu za kiseonik i vodonik kapaciteta 5 kW. Ali to je bilo glomazno zbog korištenja visokog tlaka plina (2 ... 4 MPa).

Od 1955. K. Kordesh razvija gorivne ćelije niske temperature kisik-vodik u SAD-u. Koristili su karbonske elektrode s platinskim katalizatorima. U Njemačkoj je E. Yust radio na stvaranju neplatinastih katalizatora.

Nakon 1960. stvoreni su demonstracijski i reklamni uzorci. Prva praktična primjena gorivnih ćelija pronađena je na svemirskom brodu Apollo. One su bile glavne elektrane za napajanje opreme na brodu i snabdijevale astronautima vodu i toplinu.

Glavna područja upotrebe FC instalacija van mreže bile su vojne i pomorske primjene. Krajem 1960-ih obim istraživanja gorivnih ćelija se smanjio, a nakon 1980-ih ponovo se povećao u odnosu na energiju velikih razmjera.

VARTA je razvila FC koristeći dvostrane elektrode za difuziju plina. Elektrode ovog tipa nazivaju se "Janus". Siemens je razvio elektrode sa gustinom snage do 90 W/kg. U Sjedinjenim Državama rad na ćelijama kiseonika i vodika izvodi United Technology Corp.

U energetskoj industriji velikih razmjera, upotreba gorivnih ćelija za skladištenje energije velikih razmjera, na primjer, proizvodnju vodonika (vidi Poglavlje 1), je vrlo obećavajuća. (sunce i vjetar) su raspršeni (vidi poglavlje 4). Njihova ozbiljna upotreba, koja je neophodna u budućnosti, nezamisliva je bez kapacitetnih baterija koje skladište energiju u ovom ili onom obliku.

Problem akumulacije je već danas aktuelan: dnevne i sedmične fluktuacije opterećenja elektroenergetskih sistema značajno smanjuju njihovu efikasnost i zahtijevaju takozvane manevarske kapacitete. Jedna od opcija za elektrohemijsko skladištenje energije je gorivna ćelija u kombinaciji sa elektrolizerima i plinskim držačima*.

* Držač za plin [plin + engleski. držač] - skladište za velike količine plina.

Prva generacija TE

Srednjetemperaturne gorive ćelije prve generacije, koje rade na temperaturi od 200...230°C na tečno gorivo, prirodni gas ili tehnički vodonik*, dostigle su najveće tehnološko savršenstvo. Elektrolit u njima je fosforna kiselina, koja ispunjava porozni ugljenični matriks. Elektrode su napravljene od ugljika, a katalizator je platina (platina se koristi u količinama od nekoliko grama po kilovatu snage).

* Komercijalni vodonik je proizvod konverzije fosilnih goriva koji sadrži manje nečistoće ugljičnog monoksida.

Jedna takva elektrana puštena je u rad u državi Kalifornija 1991. godine. Sastoji se od osamnaest baterija težine po 18 tona i smeštena je u kućište prečnika nešto više od 2 m i visine oko 5 m. Procedura zamene baterija je osmišljena korišćenjem okvirne konstrukcije koja se kreće duž šina.

Sjedinjene Države su Japanu isporučile dvije elektrane u Japan. Prvi od njih pokrenut je početkom 1983. Operativne performanse stanice odgovarale su izračunatim. Radila je sa opterećenjem od 25 do 80% nominalnog. Efikasnost je dostigla 30...37% - ovo je blizu modernih velikih termoelektrana. Njegovo vrijeme pokretanja iz hladnog stanja je od 4 sata do 10 minuta, a trajanje promjene snage od nule do punog je samo 15 sekundi.

Sada se u različitim dijelovima Sjedinjenih Država testiraju male kombinirane toplinske i elektrane snage 40 kW s faktorom iskorištenja goriva od oko 80%. Mogu zagrijati vodu do 130°C i stavljaju se u praonice, sportskim kompleksima, na dodirnim tačkama itd. Stotinjak instalacija je već radilo ukupno stotine hiljada sati. Ekološka prihvatljivost FC elektrana omogućava njihovo postavljanje direktno u gradove.

Prva elektrana na gorivo u Njujorku, snage 4,5 MW, zauzimala je površinu od 1,3 hektara. Sada je za nova postrojenja kapaciteta dva i po puta veća potrebna lokacija dimenzija 30x60 m. Gradi se nekoliko oglednih elektrana snage 11 MW. Vrijeme izgradnje (7 mjeseci) i površina (30x60 m) koju zauzima elektrana je upečatljiva. Procijenjeni vijek trajanja novih elektrana je 30 godina.

Druga i treća generacija TE

Najbolje karakteristike su već projektovana modularna postrojenja snage 5 MW sa srednjetemperaturnim gorivnim ćelijama druge generacije. Rade na temperaturama od 650...700°C. Njihove anode su napravljene od sinterovanih čestica nikla i hroma, katode od sinterovanog i oksidovanog aluminijuma, a elektrolit je mešavina litijum i kalijum karbonata. Povišena temperatura pomaže u rješavanju dva glavna elektrohemijska problema:

smanjiti "trovanje" katalizatora ugljičnim monoksidom;
povećati efikasnost procesa redukcije oksidatora na katodi.
Visokotemperaturne gorive ćelije treće generacije sa elektrolitom čvrstih oksida (uglavnom cirkonijum dioksida) biće još efikasnije. Njihova radna temperatura je do 1000°C. Efikasnost elektrana sa takvim gorivnim ćelijama je blizu 50%. Ovdje su kao gorivo prikladni i proizvodi gasifikacije kamenog uglja sa značajnim sadržajem ugljičnog monoksida. Jednako važno, otpadna toplina iz visokotemperaturnih postrojenja može se koristiti za proizvodnju pare za pogon turbina za električne generatore.

Vestingaus se bavi proizvodnjom čvrstih oksidnih gorivnih ćelija od 1958. godine. Razvija elektrane kapaciteta 25 ... 200 kW, u kojima se može koristiti plinovito gorivo iz uglja. U pripremi su za ispitivanje eksperimentalne instalacije snage nekoliko megavata. Druga američka firma, Engelgurd, dizajnira gorivne ćelije od 50 kW koje rade na metanolu sa fosfornom kiselinom kao elektrolitom.

Sve više i više firmi širom svijeta uključeno je u stvaranje gorivnih ćelija. Američka United Technology i japanska Toshiba osnovali su International Fuel Cells Corporation. U Evropi se gorivnim ćelijama bave belgijsko-holandski konzorcijum Elenko, zapadnonjemačka kompanija Siemens, talijanski Fiat i britanski Jonson Metju.

Victor LAVRUS.

Ako vam se svidio ovaj materijal, onda vam nudimo izbor najboljih materijala na našoj stranici po mišljenju naših čitatelja. Izbor - TOP o ekološkim tehnologijama, novoj nauci i naučnim otkrićima možete pronaći gdje vam najviše odgovara

gorivne ćelije ( gorivne ćelije) je uređaj koji pretvara hemijsku energiju u električnu energiju. U principu je slična konvencionalnoj bateriji, ali se razlikuje po tome što njen rad zahtijeva konstantno snabdijevanje tvarima izvana da bi se dogodila elektrohemijska reakcija. Vodik i kiseonik se snabdevaju gorivim ćelijama, a izlaz je struja, voda i toplota. Njihove prednosti uključuju ekološku prihvatljivost, pouzdanost, izdržljivost i jednostavnost rada. Za razliku od konvencionalnih baterija, elektrohemijski pretvarači mogu raditi gotovo neograničeno sve dok je gorivo dostupno. Ne moraju se puniti satima dok se potpuno ne napune. Štaviše, same ćelije mogu puniti bateriju dok je automobil parkiran sa ugašenim motorom.

Gorivne ćelije sa protonskom membranom (PEMFC) i čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC) se najčešće koriste u vozilima na vodik.

Goriva ćelija sa membranom za izmjenu protona radi na sljedeći način. Između anode i katode nalaze se posebna membrana i katalizator presvučen platinom. Vodik ulazi u anodu, a kisik ulazi u katodu (na primjer, iz zraka). Na anodi se vodik razlaže na protone i elektrone uz pomoć katalizatora. Protoni vodika prolaze kroz membranu i ulaze u katodu, dok se elektroni odaju u vanjsko kolo (membrana ih ne propušta). Tako dobijena razlika potencijala dovodi do pojave električne struje. Na katodnoj strani, protoni vodika se oksidiraju kisikom. Kao rezultat, nastaje vodena para, koja je glavni element izduvnih gasova automobila. Posjedujući visoku efikasnost, PEM ćelije imaju jedan značajan nedostatak - njihov rad zahtijeva čisti vodonik, čije skladištenje predstavlja prilično ozbiljan problem.

Ako se pronađe takav katalizator koji će zamijeniti skupu platinu u ovim ćelijama, tada će se odmah stvoriti jeftina gorivna ćelija za proizvodnju električne energije, što znači da će se svijet riješiti ovisnosti o nafti.

Ćelije čvrstih oksida

Čvrste oksidne SOFC ćelije su mnogo manje zahtjevne za čistoću goriva. Osim toga, zahvaljujući upotrebi POX reformera (Parcijalna oksidacija - djelomična oksidacija), takve ćelije mogu trošiti običan benzin kao gorivo. Proces pretvaranja benzina direktno u električnu energiju je sljedeći. U posebnom uređaju - reformeru, na temperaturi od oko 800 ° C, benzin isparava i razlaže se na sastavne elemente.

Time se oslobađaju vodik i ugljični dioksid. Nadalje, također pod utjecajem temperature i uz pomoć samog SOFC-a (koji se sastoji od poroznog keramičkog materijala na bazi cirkonijum oksida), vodonik se oksidira kisikom u zraku. Nakon dobijanja vodonika iz benzina, proces se dalje odvija prema gore opisanom scenariju, sa samo jednom razlikom: SOFC gorivna ćelija, za razliku od uređaja koji rade na vodiku, manje je osjetljiva na strane nečistoće u izvornom gorivu. Dakle, kvalitet benzina ne bi trebao utjecati na performanse gorivne ćelije.

Visoka radna temperatura SOFC-a (650-800 stepeni) je značajan nedostatak, proces zagrijavanja traje oko 20 minuta. Međutim, višak topline nije problem, jer se u potpunosti uklanja preostalim zrakom i izduvnim plinovima koje proizvode reformer i sama gorivna ćelija. Ovo omogućava da se SOFC sistem integriše u vozilo kao samostalan uređaj u termoizolovanom kućištu.

Modularna struktura omogućava postizanje potrebnog napona povezivanjem seta standardnih ćelija u seriju. I, što je možda najvažnije, sa stanovišta uvođenja ovakvih uređaja, u SOFC-u nema vrlo skupih elektroda na bazi platine. Visoka cijena ovih elemenata jedna je od prepreka u razvoju i širenju PEMFC tehnologije.

Vrste gorivnih ćelija

Trenutno postoje takve vrste gorivnih ćelija:

• A.F.C.– Alkalna gorivna ćelija (alkalna gorivna ćelija);
• PAFC– Gorivna ćelija fosforne kiseline (goriva ćelija fosforne kiseline);
• PEMFC– Proton Exchange Membrane Fuel Cell (goriva ćelija sa membranom za izmjenu protona);
• DMFC– Direktna metanolna gorivna ćelija (goriva ćelija sa direktnim razlaganjem metanola);
• MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (goriva ćelija od rastopljenog karbonata);
• SOFC– Solid Oxide Fuel Cell (goriva ćelija sa čvrstim oksidom).

Prednosti gorivnih ćelija/ćelija

Gorivna ćelija/ćelija je uređaj koji efikasno generiše jednosmernu struju i toplotu iz goriva bogatog vodonikom putem elektrohemijske reakcije.

Gorivna ćelija je slična bateriji po tome što generiše jednosmernu struju kroz hemijsku reakciju. Gorivna ćelija uključuje anodu, katodu i elektrolit. Međutim, za razliku od baterija, gorivne ćelije/ćelije ne mogu skladištiti električnu energiju, ne prazne se i ne zahtijevaju električnu energiju za ponovno punjenje. Gorivne ćelije/ćelije mogu kontinuirano proizvoditi električnu energiju sve dok imaju zalihe goriva i zraka.

Za razliku od drugih generatora energije kao što su motori sa unutrašnjim sagorevanjem ili turbine na gas, ugalj, ulje, itd., gorivne ćelije/ćelije ne sagorevaju gorivo. To znači da nema bučnih rotora visokog pritiska, nema glasne buke izduvnih gasova, nema vibracija. Gorivne ćelije/ćelije proizvode električnu energiju kroz tihu elektrohemijsku reakciju. Još jedna karakteristika gorivih ćelija/ćelija je da pretvaraju hemijsku energiju goriva direktno u električnu energiju, toplotu i vodu.

Gorivne ćelije su visoko efikasne i ne proizvode velike količine stakleničkih plinova kao što su ugljični dioksid, metan i dušikov oksid. Jedini proizvodi koji se emituju tokom rada su voda u obliku pare i mala količina ugljičnog dioksida, koji se uopće ne emituje ako se kao gorivo koristi čisti vodonik. Gorivne ćelije/ćelije se sklapaju u sklopove, a zatim u pojedinačne funkcionalne module.

Istorija razvoja gorivnih ćelija/ćelija

Tokom 1950-ih i 1960-ih, jedan od najvećih izazova za gorive ćelije proizašao je iz potrebe američke Nacionalne uprave za aeronautiku i svemir (NASA) za izvorima energije za dugotrajne svemirske misije. NASA alkalna gorivna ćelija/ćelija koristi vodonik i kiseonik kao gorivo kombinovanjem ova dva hemijski element u elektrohemijskoj reakciji. Izlaz su tri nusproizvoda reakcije koji su korisni u svemirskim letovima - električna energija za napajanje svemirski brod, vodu za piće i sisteme za hlađenje i grijanje za grijanje astronauta.

Otkriće gorivnih ćelija se odnosi na početkom XIX veka. Prvi dokazi o dejstvu gorivnih ćelija dobijeni su 1838.

U kasnim 1930-im, počeli su radovi na alkalnim gorivnim ćelijama, a do 1939. godine izgrađena je ćelija koja koristi niklovane elektrode pod visokim pritiskom. Tokom Drugog svetskog rata razvijene su gorivne ćelije/ćelije za podmornice Britanske mornarice, a 1958. godine predstavljen je gorivni sklop koji se sastoji od alkalnih gorivih ćelija/ćelija prečnika nešto više od 25 cm.

Interes se povećao 1950-ih i 1960-ih, kao i 1980-ih, kada je industrijski svijet iskusio nestašicu lož ulja. U istom periodu, svjetske zemlje su također postale zabrinute za problem zagađenja zraka i razmatrale načine za proizvodnju električne energije koja je prihvatljiva za okoliš. Trenutno, tehnologija gorivnih ćelija/ćelija prolazi kroz brzi razvoj.

Kako rade gorive ćelije/ćelije

Gorivne ćelije/ćelije proizvode električnu energiju i toplinu kroz tekuću elektrohemijsku reakciju koristeći elektrolit, katodu i anodu.

Anoda i katoda su razdvojene elektrolitom koji provodi protone. Nakon što vodik uđe u anodu, a kisik u katodu, počinje kemijska reakcija, uslijed koje nastaju električna struja, toplina i voda.

Na anodnom katalizatoru, molekularni vodonik disocira i gubi elektrone. Vodikovi joni (protoni) se provode kroz elektrolit do katode, dok se elektroni prolaze kroz elektrolit i kroz vanjski električni krug, stvarajući jednosmjernu struju koja se može koristiti za napajanje opreme. Na katodnom katalizatoru, molekul kisika se kombinira s elektronom (koji se napaja iz vanjskih komunikacija) i dolaznim protonom, te formira vodu, koja je jedini produkt reakcije (u obliku pare i/ili tekućine).

Ispod je odgovarajuća reakcija:

Anodna reakcija: 2H 2 => 4H+ + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4H+ + 4e - => 2H 2 O
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Vrste i raznolikost gorivnih ćelija/ćelija

Slično kao što postoje različiti tipovi motora sa unutrašnjim sagorevanjem, postoje i različite vrste gorivih ćelija - izbor odgovarajuće vrste gorivne ćelije zavisi od njene primene.

Gorivne ćelije se dijele na visokotemperaturne i niskotemperaturne. Gorivne ćelije niske temperature zahtijevaju relativno čist vodonik kao gorivo. To često znači da je prerada goriva potrebna za pretvaranje primarnog goriva (kao što je prirodni plin) u čisti vodonik. Ovaj proces troši dodatnu energiju i zahtijeva posebnu opremu. Visokotemperaturnim gorivnim ćelijama nije potrebna ova dodatna procedura, jer mogu "interno pretvoriti" gorivo na povišenim temperaturama, što znači da nema potrebe za ulaganjem u vodoničnu infrastrukturu.

Gorivne ćelije/ćelije na rastopljenom karbonatu (MCFC)

Gorivne ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom su gorive ćelije visoke temperature. Visoka radna temperatura omogućava direktnu upotrebu prirodnog gasa bez procesora goriva i niskokalorične vrednosti gorivog gasa iz procesnih goriva i drugih izvora.

Rad RCFC-a se razlikuje od ostalih gorivnih ćelija. Ove ćelije koriste elektrolit iz mješavine rastopljenih karbonatnih soli. Trenutno se koriste dvije vrste mješavina: litijum karbonat i kalijum karbonat ili litijum karbonat i natrijum karbonat. Za topljenje karbonatnih soli i postizanje visokog stepena pokretljivosti jona u elektrolitu, gorive ćelije sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom rade na visokim temperaturama (650°C). Efikasnost varira između 60-80%.

Kada se zagreju na temperaturu od 650°C, soli postaju provodnik za karbonatne jone (CO 3 2-). Ovi ioni prelaze s katode na anodu gdje se spajaju s vodikom i formiraju vodu, ugljični dioksid i slobodne elektrone. Ovi elektroni se šalju kroz vanjski električni krug natrag na katodu, stvarajući električnu struju i toplinu kao nusproizvod.

Anodna reakcija: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reakcija na katodi: CO 2 + 1/2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Opća reakcija elementa: H 2 (g) + 1/2O 2 (g) + CO 2 (katoda) => H 2 O (g) + CO 2 (anoda)

Visoke radne temperature gorivnih ćelija rastopljenog karbonatnog elektrolita imaju određene prednosti. Na visokim temperaturama, prirodni gas se interno reformiše, eliminišući potrebu za procesorom goriva. Osim toga, prednosti uključuju mogućnost korištenja standardnih materijala za konstrukciju, kao što su lim od nehrđajućeg čelika i nikl katalizator na elektrodama. Otpadna toplota se može koristiti za proizvodnju pare pod visokim pritiskom za različite industrijske i komercijalne svrhe.

Visoke temperature reakcije u elektrolitu također imaju svoje prednosti. Korištenju visokih temperatura potrebno je dugo vremena da se postignu optimalni radni uvjeti, a sistem sporije reaguje na promjene u potrošnji energije. Ove karakteristike omogućavaju upotrebu sistema gorivnih ćelija sa rastopljenim karbonatnim elektrolitom u uslovima konstantne snage. Visoke temperature sprečavaju oštećenje gorivne ćelije ugljen monoksidom.

Gorivne ćelije od rastopljenog karbonata su pogodne za upotrebu u velikim stacionarnim instalacijama. Industrijski proizvedene termoelektrane sa učinkom električna energija 3,0 MW. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 110 MW.

Gorivne ćelije/ćelije na bazi fosforne kiseline (PFC)

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline bile su prve gorive ćelije za komercijalnu upotrebu.

Gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline koriste elektrolit na bazi ortofosforne kiseline (H 3 PO 4) u koncentraciji do 100%. Jonska provodljivost fosforne kiseline je niska na niskim temperaturama, zbog čega se ove gorive ćelije koriste na temperaturama do 150-220°C.

Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je vodonik (H+, proton). Sličan proces se dešava u gorivnim ćelijama membrane za izmjenu protona, u kojima se vodonik doveden na anodu dijeli na protone i elektrone. Protoni prolaze kroz elektrolit i kombinuju se sa kiseonikom iz vazduha na katodi i formiraju vodu. Elektroni se usmjeravaju duž vanjskog električnog kola i stvara se električna struja. Ispod su reakcije koje stvaraju električnu energiju i toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasnost gorivih ćelija na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline je više od 40% pri generisanju električna energija. U kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije ukupna efikasnost je oko 85%. Osim toga, s obzirom na radne temperature, otpadna toplina se može koristiti za zagrijavanje vode i stvaranje pare pri atmosferskom pritisku.

Visoke performanse termoelektrana na gorivne ćelije na bazi fosforne (ortofosforne) kiseline u kombinovanoj proizvodnji toplotne i električne energije jedna je od prednosti ove vrste gorivih ćelija. Postrojenja koriste ugljični monoksid u koncentraciji od oko 1,5%, što uvelike proširuje izbor goriva. Osim toga, CO 2 ne utiče na elektrolit i rad gorivne ćelije, ova vrsta ćelija radi sa reformisanim prirodnim gorivom. Jednostavna konstrukcija, niska isparljivost elektrolita i povećana stabilnost također su prednosti ove vrste gorivih ćelija.

Termoelektrane izlazne električne snage do 500 kW se proizvode industrijski. Instalacije za 11 MW su prošle odgovarajuće testove. Razvijaju se postrojenja sa izlaznom snagom do 100 MW.

Čvrste oksidne gorivne ćelije/ćelije (SOFC)

Čvrste oksidne gorivne ćelije su gorivne ćelije s najvišom radnom temperaturom. Radna temperatura može varirati od 600°C do 1000°C, što omogućava upotrebu različitih vrsta goriva bez posebne predtretmana. Za podnošenje ovih visokih temperatura, korišteni elektrolit je tanak čvrsti metalni oksid na bazi keramike, često legura itrijuma i cirkonija, koji je provodnik kisikovih (O 2-) jona.

Čvrsti elektrolit osigurava hermetički prijelaz plina s jedne elektrode na drugu, dok se tekući elektroliti nalaze u poroznoj podlozi. Nosač naboja u gorivnim ćelijama ovog tipa je jon kiseonika (O 2-). Na katodi se molekuli kisika odvajaju od zraka na ion kisika i četiri elektrona. Ioni kiseonika prolaze kroz elektrolit i spajaju se sa vodonikom da bi formirali četiri slobodna elektrona. Elektroni se usmjeravaju kroz vanjski električni krug, stvarajući električnu struju i otpadnu toplinu.

Reakcija na anodi: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Opća reakcija elementa: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Efikasnost proizvedene električne energije je najveća od svih gorivnih ćelija - oko 60-70%. Visoke radne temperature omogućavaju kombinovanu proizvodnju toplote i energije za stvaranje pare pod visokim pritiskom. Kombinovanje visokotemperaturne gorivne ćelije sa turbinom stvara hibridnu gorivu ćeliju za povećanje efikasnosti proizvodnje energije do 75%.

Čvrste oksidne gorivne ćelije rade na veoma visokim temperaturama (600°C-1000°C), što rezultira dugo vremena za postizanje optimalnih radnih uslova, a sistem sporije reaguje na promene u potrošnji energije. Na tako visokim radnim temperaturama nije potreban pretvarač za rekuperaciju vodonika iz goriva, što omogućava termoelektranu da radi sa relativno nečistim gorivima iz gasifikacije uglja ili otpadnih gasova i slično. Takođe, ova gorivna ćelija je odlična za aplikacije velike snage, uključujući industrijske i velike centralne elektrane. Industrijski proizvedeni moduli sa izlaznom električnom snagom od 100 kW.

Gorivne ćelije/ćelije s direktnom oksidacijom metanola (DOMTE)

Tehnologija korištenja gorivnih ćelija s direktnom oksidacijom metanola prolazi kroz period aktivnog razvoja. Uspješno se etablirao u oblasti napajanja mobilnih telefona, laptopa, kao i za izradu prijenosnih izvora napajanja. čemu je usmjerena buduća primjena ovih elemenata.

Struktura gorivih ćelija sa direktnom oksidacijom metanola je slična gorivim ćelijama sa membranom za izmjenu protona (MOFEC), tj. polimer se koristi kao elektrolit, a vodikov ion (proton) se koristi kao nosilac naboja. Međutim, tečni metanol (CH 3 OH) se oksidira u prisustvu vode na anodi, oslobađajući CO 2 , vodikove ione i elektrone, koji se vode kroz vanjski električni krug, te se stvara električna struja. Vodikovi joni prolaze kroz elektrolit i reagiraju s kisikom iz zraka i elektronima iz vanjskog kruga i formiraju vodu na anodi.

Reakcija na anodi: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reakcija na katodi: 3/2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Opća reakcija elementa: CH 3 OH + 3/2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Prednost ove vrste gorivnih ćelija je njihova mala veličina, zbog upotrebe tečnog goriva, te odsustvo potrebe za korištenjem pretvarača.

Alkalne gorivne ćelije/ćelije (AFC)

Alkalne gorivne ćelije su jedan od najefikasnijih elemenata koji se koriste za proizvodnju električne energije, sa efikasnošću proizvodnje električne energije do 70%.

Alkalne gorive ćelije koriste elektrolit, tj. vodeni rastvor kalijum hidroksida, koji se nalazi u poroznoj, stabilizovanoj matrici. Koncentracija kalijum hidroksida može varirati u zavisnosti od radne temperature gorivne ćelije, koja se kreće od 65°C do 220°C. Nosač naboja u SFC-u je hidroksidni ion (OH-) koji se kreće od katode do anode gdje reaguje sa vodonikom da bi proizveo vodu i elektrone. Voda proizvedena na anodi vraća se na katodu, gdje opet stvara hidroksidne ione. Kao rezultat ove serije reakcija koje se odvijaju u gorivoj ćeliji, proizvodi se električna energija i, kao nusproizvod, toplina:

Reakcija na anodi: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reakcija na katodi: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Opšta reakcija sistema: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Prednost SFC-a je u tome što su ove gorivne ćelije najjeftinije za proizvodnju, budući da katalizator potreban na elektrodama može biti bilo koja od supstanci koje su jeftinije od onih koje se koriste kao katalizatori za druge gorivne ćelije. SCFC rade na relativno niskim temperaturama i spadaju među najefikasnije gorivne ćelije - takve karakteristike mogu doprinijeti bržoj proizvodnji energije i visokoj efikasnosti goriva.

Jedan od karakteristične karakteristike SHTE - visoka osjetljivost na CO 2 koji može biti sadržan u gorivu ili zraku. CO 2 reaguje sa elektrolitom, brzo ga truje i uveliko smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga je upotreba SFC-a ograničena na zatvorene prostore kao što su svemirska i podvodna vozila, oni moraju raditi na čistom vodiku i kisiku. Štaviše, molekuli kao što su CO, H2O i CH4, koji su sigurni za druge gorivne ćelije, pa čak i gorivo za neke od njih, štetni su za SFC.

Gorivne ćelije/ćelije od polimernog elektrolita (PETE)

U slučaju gorivnih ćelija od polimernog elektrolita, polimerna membrana se sastoji od polimernih vlakana sa vodenim područjima u kojima postoji provodljivost vodenih jona (H 2 O + (proton, crvena) vezan za molekul vode). Molekuli vode predstavljaju problem zbog spore izmjene jona. Zbog toga je potrebna visoka koncentracija vode i u gorivu i na elektrodama izduvnih gasova, što ograničava radnu temperaturu na 100°C.

Čvrste kiselinske gorivne ćelije/ćelije (SCFC)

U ćelijama sa čvrstim kiselim gorivom, elektrolit (CsHSO 4 ) ne sadrži vodu. Radna temperatura je dakle 100-300°C. Rotacija SO 4 2-oksi anjona omogućava protonima (crvenim) da se kreću kao što je prikazano na slici. Tipično, gorivna ćelija s čvrstom kiselinom je sendvič u kojem je vrlo tanak sloj čvrstog kiselinskog spoja u sendviču između dvije čvrsto stisnute elektrode kako bi se osigurao dobar kontakt. Kada se zagrije, organska komponenta isparava, ostavljajući kroz pore u elektrodama, zadržavajući sposobnost brojnih kontakata između goriva (ili kisika na drugom kraju ćelije), elektrolita i elektroda.

Razni moduli gorivnih ćelija. baterija gorivne ćelije

1. Baterija gorivnih ćelija
2. Ostala oprema koja radi pod visoke temperature(integrisani generator pare, komora za sagorevanje, menjač toplotnog bilansa)
3. Izolacija otporna na toplinu

modul gorive ćelije

Komparativna analiza tipova i vrsta gorivih ćelija

Inovativne gradske toplinske i elektrane koje štede energiju obično su izgrađene na gorivim ćelijama čvrstog oksida (SOFC), gorivnim ćelijama s polimernim elektrolitom (PEFC), gorivim ćelijama s fosfornom kiselinom (PCFC), gorivnim ćelijama s protonskom izmjenom (MPFC) i alkalnim gorivnim ćelijama ( APFCs). Obično imaju sljedeće karakteristike:

Kao najprikladnije treba prepoznati gorive ćelije čvrstog oksida (SOFC), koje:

• rade na višoj temperaturi, što smanjuje potrebu za skupim plemenitim metalima (kao što je platina)
• mogu raditi za razne vrste ugljovodonična goriva, uglavnom prirodni gas
• imaju duže vrijeme pokretanja i stoga su pogodniji za dugotrajan rad
• pokazuju visoku efikasnost proizvodnje električne energije (do 70%)
• zbog visokih radnih temperatura, jedinice se mogu kombinovati sa sistemima povrata toplote, čime se ukupna efikasnost sistema povećava do 85%
• imaju skoro nultu emisiju, rade tiho i imaju niske radne zahtjeve u poređenju sa postojećim tehnologijama za proizvodnju energije

Tip gorivne ćelije	Radna temperatura	Efikasnost proizvodnje energije	Vrsta goriva	Područje primjene
RKTE	550–700°C	50-70%		Srednje i velike instalacije
FKTE	100–220°C	35-40%	čisti vodonik	Velike instalacije
MOPTE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije
SOFC	450–1000°C	45-70%	Većina ugljovodoničnih goriva	Male, srednje i velike instalacije
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Prijenosni
SHTE	50–200°C	40-70%	čisti vodonik	istraživanje svemira
PETE	30-100°C	35-50%	čisti vodonik	Male instalacije

Budući da se male termoelektrane mogu priključiti na konvencionalnu mrežu za opskrbu plinom, gorivim ćelijama nije potreban poseban sistem za dovod vodonika. Kada se koriste male termoelektrane na bazi čvrstih oksidnih gorivnih ćelija, proizvedena toplota se može integrisati u izmenjivače toplote za zagrevanje vode i ventilacionog vazduha, povećavajući ukupnu efikasnost sistema. Ova inovativna tehnologija je najprikladnija za efikasnu proizvodnju energije bez potrebe za skupom infrastrukturom i integracijom složenih instrumenata.

Primjena gorivih ćelija/ćelija

Primena gorivnih ćelija/ćelija u telekomunikacionim sistemima

Uz brzo širenje bežičnih komunikacionih sistema širom svijeta, kao i sve veće društvene i ekonomske prednosti tehnologije mobilnih telefona, potreba za pouzdanim i isplativim rezervnim napajanjem postala je kritična. Gubici mreže tokom cijele godine zbog lošeg vremena, prirodnih katastrofa ili ograničenog kapaciteta mreže predstavljaju trajni karakter težak problem za mrežne operatere.

Tradicionalna rješenja za rezervno napajanje u telekomunikacijama uključuju baterije (olovno-kiselinske ćelije baterija ventilski regulirani) za kratkotrajnu rezervnu snagu i dizel i propan generatore za dužu rezervnu snagu. Baterije su relativno jeftin izvor rezervnog napajanja za 1 do 2 sata. Međutim, baterije nisu prikladne za duže rezervne periode jer su skupe za održavanje, postaju nepouzdane nakon dugih perioda upotrebe, osjetljive su na temperature i opasne su po život. okruženje nakon odlaganja. Dizel i propan generatori mogu osigurati kontinuiranu rezervnu snagu. Međutim, generatori mogu biti nepouzdani, zahtijevaju opsežno održavanje i ispuštaju visoke razine zagađivača i stakleničkih plinova u atmosferu.

Kako bi se eliminisala ograničenja tradicionalnih rješenja za rezervno napajanje, razvijena je inovativna tehnologija zelenih gorivnih ćelija. Gorivne ćelije su pouzdane, tihe, sadrže manje pokretnih dijelova od generatora, imaju širi raspon radnih temperatura od baterije od -40°C do +50°C i, kao rezultat, pružaju izuzetno visok nivo uštede energije. Osim toga, životni trošak takvog postrojenja je niži od cijene generatora. Niži troškovi gorivih ćelija rezultat su samo jedne posjete održavanja godišnje i značajno veće produktivnosti postrojenja. Na kraju krajeva, gorivne ćelije su ekološki prihvatljivo tehnološko rješenje s minimalnim utjecajem na okoliš.

Jedinice gorivih ćelija pružaju rezervnu snagu za kritične komunikacione mrežne infrastrukture za bežične, stalne i širokopojasne komunikacije u telekomunikacijskom sistemu, u rasponu od 250W do 15kW, nude mnoge inovativne karakteristike bez premca:

• POUZDANOST– Malo pokretnih dijelova i nema pražnjenja u stanju pripravnosti
• UŠTEDU ENERGIJE
• SILENCE– nizak nivo buke
• STABILNOST– radni opseg od -40°C do +50°C
• PRILAGOĐIVOST– spoljna i unutrašnja instalacija (kontejner/zaštitni kontejner)
• HIGH POWER– do 15 kW
• POTREBA ZA NISKO ODRŽAVANJEM– minimalno godišnje održavanje
• EKONOMIJA- atraktivni ukupni trošak vlasništva
• CLEAN ENERGY– niske emisije sa minimalnim uticajem na životnu sredinu

Sistem sve vreme detektuje napon DC sabirnice i glatko prihvata kritična opterećenja ako napon DC sabirnice padne ispod zadate vrednosti koju je definisao korisnik. Sistem radi na vodoniku, koji ulazi u gorivu ćeliju na jedan od dva načina - ili iz komercijalnog izvora vodonika, ili iz tečnog goriva metanola i vode, koristeći reformer sistem na brodu.

Električnu energiju proizvodi gorivne ćelije u obliku jednosmjerne struje. DC snaga se šalje u pretvarač koji pretvara neregulisanu istosmjernu snagu iz snopa gorivih ćelija u visokokvalitetnu, reguliranu istosmjernu snagu za potrebna opterećenja. Instalacija gorivih ćelija može obezbijediti rezervnu snagu za mnogo dana, jer je trajanje ograničeno samo količinom vodonika ili metanola/vodenog goriva dostupnog na zalihama.

Gorivne ćelije nude superiornu energetsku efikasnost, povećanu pouzdanost sistema, predvidljivije performanse u širokom rasponu klimatskih uslova i pouzdan radni vek u poređenju sa industrijskim standardnim ventilom regulisanim olovnim baterijama. Troškovi životnog ciklusa također su niži zbog znatno manje zahtjeva za održavanjem i zamjenom. Gorivne ćelije nude krajnjem korisniku ekološke prednosti jer su troškovi odlaganja i rizici vezani za olovnu kiselinu sve veći problem.

Na performanse električnih baterija može negativno uticati širok spektar faktora kao što su nivo napunjenosti, temperatura, ciklusi, životni vek i druge varijable. Osigurana energija će varirati ovisno o ovim faktorima i nije je lako predvidjeti. Ovi faktori relativno ne utiču na performanse gorivnih ćelija sa membranom za protonsku izmjenu (PEMFC) i mogu pružiti kritičnu snagu sve dok je gorivo dostupno. Povećana predvidljivost je važna prednost pri prelasku na gorivne ćelije za kritične aplikacije rezervnog napajanja.

Gorivne ćelije generišu energiju samo kada se gorivo snabdeva, kao generator gasne turbine, ali nemaju pokretne delove u zoni proizvodnje. Stoga, za razliku od generatora, nisu podložni brzom trošenju i ne zahtijevaju stalno održavanje i podmazivanje.

Gorivo koje se koristi za pogon pretvarača goriva produženog trajanja je mješavina metanola i vode. Metanol je široko dostupan, proizvodi se u industrijske razmjere gorivo, koje trenutno ima mnogo primjena, između ostalog i perači vjetrobrana, plastične boce, aditivi za motore, emulzione boje. Metanol se lako transportuje, meša se sa vodom, ima dobru biorazgradljivost i ne sadrži sumpor. Ima nisku tačku smrzavanja (-71°C) i ne raspada se tokom dužeg skladištenja.

Primjena gorivnih ćelija/ćelija u komunikacijskim mrežama

Sigurnosne mreže zahtijevaju pouzdana rješenja za rezervno napajanje koja mogu trajati satima ili danima u hitnim slučajevima ako električna mreža postane nedostupna.

Sa nekoliko pokretnih dijelova i bez smanjenja snage u stanju pripravnosti, inovativna tehnologija gorivnih ćelija nudi atraktivno rješenje u poređenju sa trenutno dostupnim rezervnim sistemima napajanja.

Najvažniji razlog za korištenje tehnologije gorivnih ćelija u komunikacijskim mrežama je povećana ukupna pouzdanost i sigurnost. Tokom događaja kao što su nestanci struje, zemljotresi, oluje i uragani, važno je da sistemi nastave da rade i da imaju pouzdano rezervno napajanje tokom dužeg vremenskog perioda, bez obzira na temperaturu ili starost rezervnog sistema za napajanje.

Opseg izvora napajanja gorivim ćelijama idealan je za podršku sigurnim komunikacijskim mrežama. Zahvaljujući principima dizajna za uštedu energije, oni pružaju ekološki prihvatljivo, pouzdano rezervno napajanje sa produženim trajanjem (do nekoliko dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW.

Primjena gorivnih ćelija/ćelija u podatkovnim mrežama

Pouzdano napajanje za mreže podataka, kao što su mreže za prenos podataka velike brzine i okosnice od optičkih vlakana, od ključne je važnosti u cijelom svijetu. Informacije koje se prenose preko takvih mreža sadrže kritične podatke za institucije kao što su banke, avio kompanije ili medicinski centri. Nestanak struje u takvim mrežama ne samo da predstavlja opasnost za prenošene informacije, već u pravilu dovodi i do značajnih finansijskih gubitaka. Pouzdane, inovativne instalacije gorivih ćelija koje pružaju napajanje u stanju pripravnosti pružaju pouzdanost koja vam je potrebna da osigurate neprekidno napajanje.

Jedinice gorivih ćelija koje rade na mješavini tečnog goriva metanola i vode pružaju pouzdano rezervno napajanje s produženim trajanjem, do nekoliko dana. Osim toga, ove jedinice imaju značajno smanjene zahtjeve za održavanjem u odnosu na generatore i baterije, zahtijevajući samo jednu posjetu održavanja godišnje.

Tipične karakteristike primjene za korištenje instalacija gorivnih ćelija u podatkovnim mrežama:

• Aplikacije sa ulaznom snagom od 100 W do 15 kW
• Aplikacije sa zahtjevima za trajanje baterije > 4 sata
• Repetitori u optičkim sistemima (hijerarhija sinhronih digitalnih sistema, brzi internet, glas preko IP-a…)
• Mrežni čvorovi za prijenos podataka velike brzine
• WiMAX prijenosni čvorovi

Instalacije gorivih ćelija u stanju pripravnosti nude brojne prednosti za kritičnu mrežnu infrastrukturu podataka u odnosu na tradicionalne akumulatorske ili dizel generatore, omogućavajući povećanu upotrebu na licu mjesta:

1. Tehnologija tekućeg goriva rješava problem skladištenja vodonika i pruža gotovo neograničenu rezervnu snagu.
2. Zbog tihog rada, male težine, otpornosti na ekstremne temperature i rada gotovo bez vibracija, gorive ćelije se mogu instalirati na otvorenom, u industrijskim prostorijama/kontejnerima ili na krovovima.
3. Pripreme na licu mesta za korišćenje sistema su brze i ekonomične, a troškovi rada su niski.
4. Gorivo je biorazgradivo i predstavlja ekološki prihvatljivo rješenje za urbanu sredinu.

Primjena gorivnih ćelija/ćelija u sigurnosnim sistemima

Najpažljivije dizajnirani sigurnosni i komunikacijski sistemi zgrada pouzdani su samo onoliko koliko je snaga koja ih pokreće. Iako većina sistema uključuje neku vrstu rezervnog sistema neprekidnog napajanja za kratkoročne gubitke struje, oni ne predviđaju duže nestanke struje do kojih može doći nakon prirodnih katastrofa ili terorističkih napada. Može postati kritično važno pitanje za mnoge korporativne i vladine agencije.

Vitalni sistemi kao što su CCTV nadzor i sistemi kontrole pristupa (čitači ID kartica, uređaji za zatvaranje vrata, tehnologija biometrijske identifikacije, itd.), automatski sistemi za dojavu i gašenje požara, sistemi upravljanja liftovima i telekomunikacione mreže, izloženi riziku u nedostatku pouzdanih alternativni izvor kontinuirano napajanje.

Dizel generatori su bučni, teško ih je locirati i svjesni su njihove pouzdanosti i problema s održavanjem. Nasuprot tome, pomoćna instalacija na gorive ćelije je tiha, pouzdana, ima nultu ili vrlo niske emisije i lako se instalira na krov ili izvan zgrade. Ne prazni se niti gubi struju u stanju pripravnosti. Osigurava nastavak rada kritičnih sistema, čak i nakon što ustanova prestane sa radom i zgrada je napuštena od strane ljudi.

Inovativne instalacije gorivnih ćelija štite skupa ulaganja u kritične aplikacije. Oni pružaju ekološki prihvatljivu, pouzdanu, dugotrajnu rezervnu snagu (do mnogo dana) za upotrebu u rasponu snage od 250 W do 15 kW, u kombinaciji s brojnim nenadmašnim karakteristikama i, posebno, visoki nivo uštedu energije.

Rezervne jedinice za napajanje gorivih ćelija nude brojne prednosti za kritične aplikacije kao što su sigurnost i sistemi upravljanja zgradom u odnosu na tradicionalne akumulatorske ili dizel generatore. Tehnologija tekućeg goriva rješava problem skladištenja vodonika i pruža gotovo neograničenu rezervnu snagu.

Primjena gorivnih ćelija/ćelija u kućnom grijanju i proizvodnji električne energije

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC) se koriste za izgradnju pouzdanih, energetski učinkovitih i štetne emisije termoelektrane za proizvodnju električne i toplotne energije iz široko dostupnog prirodnog gasa i obnovljivih izvora goriva. Ove inovativne jedinice se koriste na raznim tržištima, od domaće proizvodnje električne energije do napajanja udaljenih područja, kao i pomoćnih izvora energije.

Primjena gorivnih ćelija/ćelija u distributivnim mrežama

Male termoelektrane su projektovane za rad u distribuiranoj mreži za proizvodnju električne energije, koja se sastoji od veliki broj mali agregati umjesto jedne centralizirane elektrane.

Slika ispod prikazuje gubitak u efikasnosti proizvodnje električne energije kada se proizvodi u CHP postrojenju i prenosi u domove putem tradicionalnih prijenosnih mreža koje se koriste u ovog trenutka. Gubici efikasnosti u oblasnoj proizvodnji uključuju gubitke iz elektrane, nisko i visokonaponski prijenos i gubitke u distribuciji.

Na slici su prikazani rezultati integracije malih termoelektrana: električna energija se proizvodi sa efikasnošću proizvodnje do 60% na mjestu korištenja. Osim toga, domaćinstvo može koristiti toplinu koju generiraju gorivne ćelije za grijanje vode i prostora, čime se povećava ukupna efikasnost prerade energije goriva i poboljšava ušteda energije.

Korištenje gorivih ćelija za zaštitu okoliša - korištenje povezanog naftnog plina

Jedan od najvažnijih zadataka u naftnoj industriji je korištenje pratećeg naftnog plina. Postojeći načini iskorišćavanja pratećeg naftnog gasa imaju dosta nedostataka, a glavni je to što nisu ekonomski isplativi. Povezani naftni gas se spaljuje, što nanosi veliku štetu životnoj sredini i zdravlju ljudi.

Inovativne toplane i elektrane na gorive ćelije koje koriste povezani naftni plin kao gorivo otvaraju put radikalnom i isplativom rješenju problema korištenja povezanog naftnog plina.

1. Jedna od glavnih prednosti instalacija na gorive ćelije je da mogu pouzdano i održivo raditi na povezanom naftnom plinu promjenjivog sastava. Zbog hemijske reakcije bez plamena koja je u osnovi rada gorivne ćelije, smanjenje procenta, na primjer, metana uzrokuje samo odgovarajuće smanjenje izlazne snage.
2. Fleksibilnost u odnosu na električno opterećenje potrošača, diferencijal, prenapon opterećenja.
3. Za ugradnju i priključenje termoelektrana na gorivne ćelije, njihova implementacija ne zahtijeva kapitalna ulaganja, jer Jedinice se lako montiraju na nepripremljenim lokacijama u blizini polja, jednostavne su za rukovanje, pouzdane i efikasne.
4. Visoka automatizacija i moderno daljinsko upravljanje ne zahtevaju stalno prisustvo osoblja u fabrici.
5. Jednostavnost i tehničko savršenstvo dizajna: odsustvo pokretnih dijelova, trenja, sistema podmazivanja pruža značajne ekonomske koristi od rada instalacija gorivnih ćelija.
6. Potrošnja vode: nema na temperaturi okoline do +30 °C i zanemarljiva na višim temperaturama.
7. Izlaz vode: nema.
8. Osim toga, termoelektrane na gorive ćelije ne proizvode buku, ne vibriraju, ne emituju štetne emisije u atmosferu