Wodorowe ogniwo paliwowe: opis, charakterystyka, zasada działania, zdjęcie

Ogniwo paliwowe to urządzenie, które skutecznie generuje ciepło i prąd stały w wyniku reakcji elektrochemicznej i wykorzystuje paliwo bogate w wodór. Zasadniczo jest podobny do baterii. Strukturalnie ogniwo paliwowe jest reprezentowane przez katodę, anodę i elektrolit. Jak cudowne to jest? W przeciwieństwie do samych akumulatorów, wodorowe ogniwa paliwowe nie przechowują energii elektrycznej, nie potrzebują jej do ładowania i nie rozładowują się. Ogniwa wytwarzają energię elektryczną, dopóki mają w sobie powietrze i paliwo.

Osobliwości

Ogniwa paliwowe różnią się od innych agregatów prądotwórczych tym, że nie spalają paliwa podczas pracy. Dzięki tej właściwości nie potrzebują wirników wysokociśnieniowych, nie emitują silnych dźwięków i wibracji. Energia elektryczna w ogniwach paliwowych jest wytwarzana w wyniku cichej reakcji elektrochemicznej. Energia chemiczna paliwa w takich urządzeniach zamieniana jest bezpośrednio na wodę, ciepło i energię elektryczną.

Ogniwa paliwowe są bardzo wydajne i nie emitują dużych ilości gazów cieplarnianych. Produktem emitowanym podczas pracy ogniwa jest niewielka ilość wody w postaci pary wodnej i dwutlenku węgla, która nie jest uwalniana w przypadku zastosowania czystego wodoru jako paliwa.

Historia pojawienia się

W latach 50. i 60. rosnące zapotrzebowanie NASA na źródła zasilania do lotów kosmicznych na dalekie odległości doprowadziło do jednego z najważniejszych wyzwań związanych z ogniwami paliwowymi, jakie istniały w tamtym czasie. Ogniwa alkaliczne wykorzystują tlen i wodór jako paliwo, które podczas reakcji elektrochemicznej są przekształcane w użyteczne produkty uboczne podczas lotu kosmicznego: elektryczność, wodę i ciepło.

Ogniwa paliwowe odkryto po raz pierwszy na początku XIX wieku, w 1838 roku. W tym samym czasie pojawiły się pierwsze informacje o ich skuteczności.

Prace nad ogniwami paliwowymi wykorzystującymi elektrolity alkaliczne rozpoczęły się pod koniec lat 30. XX wieku. Ogniwa z niklowanymi elektrodami wysokociśnieniowymi wynaleziono dopiero w 1939 roku. Podczas II wojny światowej opracowano brytyjskie ogniwa paliwowe do łodzi podwodnych, składające się z pierwiastków alkalicznych o średnicy około 25 centymetrów.

Zainteresowanie nimi wzrosło w latach pięćdziesiątych i osiemdziesiątych, które charakteryzowały się niedoborem oleju opałowego. Kraje na całym świecie rozpoczęły walkę z zanieczyszczeniem powietrza i środowiska, próbując opracować przyjazne dla środowiska sposoby wytwarzania energii elektrycznej. Technologia ogniw paliwowych jest obecnie aktywnie rozwijana.

Zasada działania

Ciepło i elektryczność są wytwarzane przez ogniwa paliwowe w wyniku reakcji elektrochemicznej, w której wykorzystuje się katodę, anodę i elektrolit.

Katoda i anoda są oddzielone elektrolitem przewodzącym protony. Po dostarczeniu tlenu do katody i wodoru do anody rozpoczyna się reakcja chemiczna, w wyniku której powstaje ciepło, prąd i woda.

Wodór cząsteczkowy dysocjuje na katalizatorze anodowym, powodując utratę elektronów. Jony wodorowe przedostają się do katody przez elektrolit, podczas gdy elektrony przechodzą przez zewnętrzną sieć elektryczną i wytwarzają prąd stały, który jest używany do zasilania sprzętu. Cząsteczka tlenu na katalizatorze katodowym łączy się z przychodzącym elektronem i protonem, ostatecznie tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji.

Rodzaje

Wybór konkretnego typu ogniwa paliwowego zależy od jego zastosowania. Wszystkie ogniwa paliwowe dzielą się na dwie główne kategorie: wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe. Te ostatnie wykorzystują czysty wodór jako paliwo. Takie urządzenia zazwyczaj wymagają konwersji paliwa pierwotnego w czysty wodór. Proces odbywa się na specjalnym sprzęcie.

Ogniwa paliwowe wysokotemperaturowe ich nie potrzebują, ponieważ przetwarzają paliwo w wysokich temperaturach, eliminując potrzebę infrastruktury wodorowej.

Zasada działania wodorowych ogniw paliwowych opiera się na zamianie energii chemicznej na energię elektryczną bez nieefektywnych procesów spalania oraz na zamianie energii cieplnej na energię mechaniczną.

Pojęcia ogólne

Wodorowe ogniwa paliwowe to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię elektryczną poprzez wysoce wydajne spalanie „zimnego” paliwa. Istnieje kilka rodzajów takich urządzeń. Za najbardziej obiecującą uważa się technologię wodorowo-powietrznych ogniw paliwowych wyposażonych w membranę do wymiany protonów PEMFC.

Membrana polimerowa o przewodności protonowej przeznaczona jest do oddzielenia dwóch elektrod: katody i anody. Każdy z nich jest reprezentowany przez matrycę węglową, na której osadzony jest katalizator. Wodór cząsteczkowy dysocjuje na katalizatorze anodowym, oddając elektrony. Kationy przechodzą do katody przez membranę, ale elektrony są przenoszone do obwodu zewnętrznego, ponieważ membrana nie jest przeznaczona do przenoszenia elektronów.

Cząsteczka tlenu na katalizatorze katodowym łączy się z elektronem z obwodu elektrycznego i przychodzącym protonem, ostatecznie tworząc wodę, która jest jedynym produktem reakcji.

Wodorowe ogniwa paliwowe są wykorzystywane do produkcji zespołów membranowo-elektrodowych, które służą jako główne elementy generujące system energetyczny.

Zalety wodorowych ogniw paliwowych

Wśród nich należy wyróżnić:

• Zwiększenie pojemności cieplnej właściwej.
• Szeroki zakres temperatur pracy.
• Brak wibracji, hałasu i ciepła.
• Niezawodność zimnego startu.
• Brak samorozładowania, co gwarantuje długi okres magazynowania energii.
• Nieograniczona autonomia dzięki możliwości regulacji zużycia energii poprzez zmianę ilości wkładów paliwowych.
• Zapewnienie niemal dowolnej energochłonności poprzez zmianę pojemności magazynowania wodoru.
• Długoterminowy.
• Cicha i przyjazna dla środowiska praca.
• Wysokie zużycie energii.
• Odporność na obce zanieczyszczenia w wodorze.

Obszar zastosowań

Ze względu na wysoką wydajność wodorowe ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach:

• Przenośne ładowarki.
• Systemy zasilania UAV.
• UPS.
• Inne urządzenia i sprzęt.

Perspektywy energii wodorowej

Powszechne stosowanie ogniw paliwowych opartych na nadtlenku wodoru będzie możliwe dopiero po stworzeniu efektywnej metody produkcji wodoru. Potrzebne są nowe pomysły na aktywne wykorzystanie tej technologii, z dużymi nadziejami pokładanymi w koncepcji ogniw biopaliwowych i nanotechnologii. Kilka firm wypuściło stosunkowo wydajne katalizatory na bazie różnych metali, jednocześnie pojawiły się informacje o stworzeniu bezmembranowych ogniw paliwowych, co znacznie obniżyło koszty produkcji i uprościło projektowanie takich urządzeń. Zalety i właściwości wodorowych ogniw paliwowych nie przeważają nad ich główną wadą – wysokim kosztem, zwłaszcza w porównaniu z urządzeniami węglowodorowymi. Budowa elektrowni wodorowej wymaga co najmniej 500 000 dolarów.

Jak zbudować wodorowe ogniwo paliwowe?

Ogniwo paliwowe małej mocy można stworzyć samemu w typowym domowym lub szkolnym laboratorium. Użyte materiały to stara maska ​​przeciwgazowa, kawałki pleksi, wodny roztwór alkoholu etylowego i alkaliów.

Korpus wodorowego ogniwa paliwowego wykonany jest ręcznie z pleksiglasu o grubości co najmniej pięciu milimetrów. Przegrody między przedziałami mogą być cieńsze – około 3 milimetry. Pleksiglas sklejany jest specjalnym klejem na bazie chloroformu lub dichloroetanu oraz wiórów z pleksiglasu. Wszystkie prace są wykonywane tylko wtedy, gdy okap jest uruchomiony.

W zewnętrznej ścianie obudowy wykonany jest otwór o średnicy 5-6 centymetrów, w który wkłada się gumowy korek i szklaną rurkę spustową. Węgiel aktywny z maski gazowej wsypywany jest do drugiej i czwartej komory obudowy ogniwa paliwowego – posłuży on jako elektroda.

Paliwo będzie krążyć w pierwszej komorze, a piąta wypełni się powietrzem, z którego będzie wypływał tlen. Elektrolit wlany między elektrody jest impregnowany roztworem parafiny i benzyny, aby nie dostał się do komory powietrznej. Miedziane płytki układa się na warstwie węgla z przylutowanymi do nich przewodami, przez które będzie kierowany prąd.

Do zmontowanego wodorowego ogniwa paliwowego wlewa się wódkę rozcieńczoną wodą w stosunku 1: 1. Do powstałej mieszaniny ostrożnie dodaje się wodorotlenek potasu: 70 gramów potasu rozpuszcza się w 200 gramach wody.

Przed testowaniem ogniwa paliwowego na wodorze paliwo wlewa się do pierwszej komory, a elektrolit do trzeciej. Odczyty woltomierza podłączonego do elektrod powinny wynosić od 0,7 do 0,9 wolta. Aby zapewnić ciągłą pracę ogniwa, konieczne jest spuszczenie wypalonego paliwa i wlanie nowego paliwa przez wąż gumowy. Naciśnięcie węża reguluje prędkość podawania paliwa. Takie domowe wodorowe ogniwa paliwowe mają niewielką moc.