ELEKTROHEMIJSKA ENERGIJA. 2009. T. 9, br. 3. P.161-165

UDK 66.02; 536.7;

METODE ZA POVRŠINSKU OBRADU TITAN BIPOLARNIH PLOČA VODIK-VAZDUH GORIVNIH ĆELIJA

M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov*, V. P. Kharitonov*

Institut za nove energetske probleme JIHT RAS, Moskva, Rusija *ZAO "Rimos", Moskva, Rusija E-mail: [email protected]

Primljeno kod urednika 11. juna 2009.

Članak je posvećen proučavanju utjecaja površinskih tretmana bipolarnih ploča (BP) na specifične električne karakteristike gorivnih ćelija (FC). Istraživanja su provedena na pločama na bazi titana. Razmatraju se dvije metode obrade BP: elektrohemijsko pozlaćivanje i jonska implantacija ugljika. Dati su kratki opisi predstavljenih tehnologija, kao i metodologija i rezultati eksperimenata. Pokazalo se da i pozlaćivanje i legiranje ugljikom površine titanijumskih BP poboljšavaju električne karakteristike gorivnih ćelija. Relativni pad omskih otpora gorivih ćelija u poređenju sa neobloženim titanijumskim pločama bio je 1,8 za elektrohemijsko pozlaćivanje i 1,4 za ionsku implantaciju.

Ključne riječi: vodonik-vazdušne gorive ćelije, bipolarne ploče na bazi titana, implantacija ugljika, spektroskopija impedancije.

Rad je posvećen istraživanju uticaja površinskih obrada bipolarnih ploča (BP) na specifične električne karakteristike goriva ce)(FC) Istraživanja su sprovedena na pločama na bazi titanijuma. Dva načina obrade BP su razmatrano: elektrohemijsko pozlaćivanje i jonska implantacija ugljenika.U radu su prikazani kratki opisi dobijenih tehnologija, kao i tehnika i rezultati eksperimenata.U radu je pokazano da se kako pozlatom, tako i jonskom implantacijom ugljenik titanski BP poboljšavaju električne karakteristike FC. Relativno smanjenje omskog otpora FC u poređenju sa "čistim" titanskim pločama je iznosilo 1,8 za elektrohemijsko pozlatu i 1,4 za ionsku implantaciju.

Ključne riječi: vodonik-vazdušne gorivne ćelije, bipolarne ploče na bazi titana, implantacija ugljika, impedansna spektroskopija.

UVOD

Trenutno se u svijetu koriste dvije glavne vrste PSU materijala: PSU napravljeni od ugljičnih ili grafitnih polimernih kompozita i metalni PSU.

Istraživanja u oblasti grafitnih BP dovela su do značajnog poboljšanja njihovih fizičko-hemijskih svojstava i specifičnih karakteristika. Napajači na bazi grafita su otporniji na koroziju od metalnih, ali im je glavni nedostatak i dalje slaba mehanička čvrstoća, što onemogućava njihovu upotrebu u gorivnim ćelijama za transport i prijenosnim prijenosnim elektranama.

U tom smislu, metali imaju nekoliko nesumnjivih prednosti u odnosu na ugljične materijale. Odlikuje ih veća toplotna i električna provodljivost, odsustvo pora, nepropusnost za gas i visoka mehanička čvrstoća. Metalni izvori napajanja su takođe isplativiji od grafitnih sa ekonomskog gledišta. Međutim, sve gore navedene prednosti metala su u velikoj mjeri obezvređene nedostacima kao što su niska otpornost na koroziju i visoka otpornost na kontakt sa difuzijskim slojevima ugljičnog plina (GDL).

Metal koji najviše obećava kao materijal za proizvodnju izvora napajanja je titanijum. Rad pruža neke prednosti titanijumskih izvora napajanja. Titan ima dobra mehanička svojstva, a kontaminacija jonima titana nije opasna za katalizator membransko-elektrodnih jedinica (MEA). Otpornost na koroziju titanijuma je takođe jedna od najviših među metalima, međutim, u agresivnom okruženju FC, titanijum još uvek treba da bude zaštićen od korozije. Dodatni faktor u potrazi za premazima za titanijum je njegova visoka kontaktna otpornost sa ugljeničnim GDS.

Naša laboratorija (Laboratorija za aluminijum-vodikovu energiju Zajedničkog instituta za visoke temperature Ruske akademije nauka) razvija prenosive izvore energije na bazi vodonik-vazduh gorivnih ćelija (HAFC). Titan je odabran kao BP materijal, uključujući i zbog gore navedenog. Rad koji smo ranije obavili potvrdio je potrebu traženja premaza i/ili metoda za dodatnu obradu.

Dobro poznati način zaštite površine titanijuma je oblaganje zlatom. Ovaj premaz povećava otpornost na koroziju i smanjuje omski otpor gorivne ćelije, što dovodi do poboljšanja njegovih električnih karakteristika. Međutim, ova tehnologija je prilično

© , 2009

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV

skupo, uglavnom zbog upotrebe plemenitih metala.

U ovom radu, pored elektrohemijskog pozlaćenja, razmatramo metodu proizvodnje BP od titanijuma sa njegovom naknadnom obradom ionskom implantacijom. Legiranje površine BP ugljenikom stvara dodatnu zaštitu od korozije i smanjuje otpornost na kontakt sa ugljeničnim GDS. Ova tehnologija obećava smanjenje troškova proizvodnje izvora napajanja uz održavanje visokih električnih performansi.

U radu su prikazani rezultati eksperimenata upoređujući električne karakteristike PSU-a izrađenih od „čistog” titanijuma (tj. bez prevlaka), titanijuma elektrohemijski obloženog zlatom i titana dopiranog ugljenikom ionskom implantacijom.

1. EKSPERIMENTALNI POSTUPAK

Krivulja strujnog napona i impedanse gorivne ćelije odabrane su kao električne karakteristike po kojima su upoređene navedene metode za proizvodnju izvora napajanja od titanijuma. Eksperimenti su izvedeni na specijalizovanom meraču impedance Z-500PX (sa potenciostatskim funkcijama) kompanije Elins LLC. Gorivna ćelija je bila opterećena elektronskim opterećenjem ugrađenim u impedanciju u potenciostatskom režimu na naponima od 800, 700, 600 i 500 mV. Na svakom naponu, TE je držan 2000 s da bi postigao stabilno stanje, nakon čega je uslijedilo mjerenje impedance. U svakom slučaju, nakon izlaganja i

Kada je gorivna ćelija došla u stacionarno stanje, snimljeno je 5 hodografa. Prilikom mjerenja impedanse, amplituda uznemirujućeg sinusoidnog naponskog signala bila je 10 mV, frekvencijski raspon je bio 105-1 Hz. Strujno-naponske krive su konstruirane korištenjem stacionarnih vrijednosti.

Svi eksperimenti su izvedeni na specijalno proizvedenom modelu test HFC-a (slika 1). Ispitni element je jedan MEA u sendviču između dvije ploče za prikupljanje struje, koje su analogne završnim pločama u baterijama gorivih ćelija. Ukupna veličina strujnih sabirnih ploča - 28x22 mm, debljina - 3 mm svaka. Radi lakšeg prikupljanja struje, ploče imaju posebne „repove“ 4x4 mm. Veličina aktivne površine 12x18 mm (2,16 cm2). Vodik se dovodi do MEA preko anodne ploče za prikupljanje struje i distribuira se prema datom polju protoka na aktivnoj površini ove ploče. Zrak napaja visokonaponske grijaće elemente zahvaljujući prirodnoj konvekciji. Katodna strujna ploča ima 4 kanala prečnika 2 mm sa prorezima u aktivnoj površini. Dužina kanala kroz koji se širi vazduh je 22 mm. Troelementni MEA su napravljeni od Mayop 212, sa stopom protoka platinskog katalizatora od 0,2 mg/cm2 na anodi i 0,5 mg/cm2 na katodi.

Ispitne visokonaponske gorivne ćelije sastavljene su od identičnih komponenti sa izuzetkom ploča strujnog kolektora. Od titanijuma VT1-0 napravljena su tri para strujnih sabirnih ploča. Prvi par je bio “čisto” mljeveni titanijum

Rice. 1. Testirajte gorivnu ćeliju u rastavljenom stanju. Dijelovi s lijeva na desno: anodna strujna ploča, brtva, anoda GDS, MEA, katoda GDS, brtva, katodna strujna ploča; Odozdo - montažni vijci i matice

ploče, odnosno bez premaza ili bilo kakve dodatne obrade. Drugi je premazan zlatom debljine 3 µm kroz podsloj nikla debljine 2 µm koristeći standardnu ​​elektrohemijsku metodu. Treći par je dopiran ugljikom metodom ionske implantacije.

Tehnološki proces ionske implantacije poznat je oko 50 godina. Temelji se na uvođenju ubrzanih jona neke tvari u ciljni materijal kako bi se promijenila fizičko-hemijska svojstva njegove površine. Jonska implantacija titanijumskih BP-a i završnih ploča obavljena je na specijalizovanom štandu AD RIMOS. Stalak je injektor sa mogućnošću stvaranja ubrzanih snopova jona različitih supstanci u uslovima visokog vakuuma bez ulja. Titanijumske ploče implantirane na ovom štandu imaju visoku otpornost na koroziju i kontinuitet legiranja. Titanijumske ploče su podvrgnute tretmanu jonskim snopom pri ionskoj energiji od 20 keV, dozi implantacije od 1018 cm-2 i temperaturi obrađenog proizvoda od 300 °C ± 10 °C.

Doza implantacije ugljika izmjerena je duž profila distribucije dubine brušene titanijumske ploče primjenom sekundarne jonske masene spektrometrije korištenjem opreme CAMESA 1M84B (Francuska). Kriva raspodjele koncentracije ugljika u titanu prikazana je na Sl. 2. Prema slici, dubina površinskog sloja ugljenika je 200^220 nm, što je dovoljno za dobijanje fundamentalno novih fizičkih i hemijskih svojstava BP površine.

1016_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Dubina, µm

Rice. 2. Kriva raspodjele koncentracije ugljika u titanu

2. REZULTATI I NJIHOVA DISKUSIJA

Na sl. Slika 3 prikazuje krivulje strujnog napona i odgovarajuće krive gustine snage za gorivne ćelije sa različitim pločama za prikupljanje struje. Apsolutne vrijednosti struje i snage odnose se na aktivnu površinu MEA, koja iznosi 2,16 cm2. Iz slike jasno proizlazi da i dopiranje ugljika i elektrohemijsko pozlaćivanje dovode do poboljšanja specifičnih karakteristika gorivnih ćelija. Treba napomenuti da strujno-naponske karakteristike istovremeno odražavaju aktivacijske, omske i difuzijske gubitke u gorivoj ćeliji. Gubici aktivacije povezani su s prevladavanjem energetske barijere reakcija elektroda, omski gubici su zbir električnih otpora svakog od električno vodljivih slojeva gorivne ćelije i kontaktnih otpora između njih, a gubici difuzije povezani su s nedostatkom napajanja. reagensa u reakcijsko područje MEA. Unatoč činjenici da u različitim područjima gustoće struje, u pravilu, prevladava jedan od tri gore navedene vrste gubitaka, krivulje strujnog napona i krivulje gustine snage nisu dovoljne za kvantificiranje određene metode obrade PSU-a (krajnjih ploča). U našem slučaju interesantni su omski gubici gorivne ćelije. Aktivacijski i difuzijski gubici su, u prvoj aproksimaciji, isti za sve gorivne ćelije: aktivacijski gubici zbog upotrebe identičnih MEA sa istom brzinom protoka katalizatora, difuzijski gubici zbog istog dizajna ploča kolektora ispitne struje.

Za identifikaciju omskih gubitaka korišćeni su hodografi impedancije dobijeni tokom eksperimenata. Rezultati ovog dijela eksperimenata prikazani su na sl. 4. Kao primjer, slike prikazuju jedan od pet hodografa snimljenih u svakom slučaju nakon što gorivna ćelija dostigne stacionarno stanje.

Spektroskopija impedancije omogućava kvantifikaciju električnih gubitaka gorivih ćelija. U radovima je dat opis ove metode u odnosu na visokonaponske gorive elemente. U skladu sa pravilima za tumačenje hodografa, omski otpor je stvarni dio impedanse na visokim frekvencijama (/ = 105-104 Hz). Vrijednost se bira u tački presjeka hodografa sa osom apscise (1m R = 0) u području visokih frekvencija. Također, pomoću hodografa se utvrđuje kapacitet dvostrukog sloja na površini elektroda/elektrolita. Prečnik polukruga hodografa karakteriše ukupni otpor prolasku naelektrisanja kroz ovaj sloj. Na sl. U opsegu su predstavljena 4 hodografa impedancije

M. S. VLASKIN, E. I. SHKOLNIKOV, E. A. KISELEVA, A. A. CHINENOV, V. P. KHARITONOV

Rice. 3. Strujno-naponske krive (a) i odgovarajuće krive gustine snage (b): - - - titan bez premaza,

F- - titan + C, -■- - titan + N1 + Au

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1t, od 3,8 3,4 3,0 2,6 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Rice. 4. FC impedancija pri konstantnoj polarizaciji, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - titan bez premaza;

Titan + N1 + Au; o - titan + C

frekvencije 105-1 Hz, budući da je vrijedno napomenuti prilično visoke gubitke difuzije gorivne ćelije (preko 2 Ohm-cm2). Međutim, to nije posljedica površinskih tretmana titanskih ploča, već je povezano s dizajnom katodne strujno-sakupljajuće ploče i uvjetima prirodne konvekcije kada se zrak dovodi u MEA.

U tabeli su prikazane apsolutne vrijednosti omskih otpora u zavisnosti od polarizacije gorivne ćelije i načina obrade njenih strujnih kolektorskih ploča, kao i njihove sistematske greške. Rezultati pokazuju da pozlaćenje smanjuje ukupni omski otpor za približno 1,8 puta u poređenju sa neobloženim titanom zbog smanjenja kontaktnih gubitaka. Dopiranje sa jonima ugljenika daje dobit od 1,4 puta, respektivno. Vrijednost intervala pouzdanosti ukazuje na visoku tačnost mjerenja vrijednosti omskog otpora.

Ohmski otpor gorivne ćelije (Ohm) sa strujnim pločama od neobloženog titanijuma, titana elektrohemijski obloženog N1, Au i titana dopiranog C+ jonima, u zavisnosti od polarizacije ćelije

Napon uzorka na gorivnoj ćeliji, mV

Titan bez premaza 0,186 0,172 0,172 0,169

Titan+Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093

Titan+C 0,131 0,13 0,125 0,122

Dakle, dokazano je da i pozlaćenje i legiranje titanijumskih BP-ova ugljikom smanjuju njihovu otpornost na kontakt s ugljičnim GDS-ovima. Ispostavlja se da je premazivanje vafla zlatom nešto povoljnije u smislu električnih performansi od tretmana ionskom implantacijom.

Sve gore navedeno sugerira da se i jedna i druga od razmatranih tehnologija mogu koristiti za preradu titanijuma BP.

BIBLIOGRAFIJA

1. Middelman E., Kout W., Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, //J. Izvori napajanja. 2003. Vol. 118. P. 44-46.

2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Arkhangelsky I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V., Aldoshin S.M. // Journal. Ross. chem. ostrva nazvana po D. I. Mendeljejev. 2006. T.1, br. 6. P.83-94.

3. S.-Wang H., Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Power Sources. 2006. Vol.162. P.486-491.

4. Davies D.P., Adcock P.L., Turpin M., Rowen S.J., J. Appl. Electrochem. 2000. Vol.30. P.101-105.

5. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Ilyukhin A.S., Tarasenko A.B., Elektrokhim. energije. 2007. T.7, br. 4, str. 175-182.

6. Shkolnikov E.I., Vlaskin M.S., Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Power Sources. 2008. Vol.185. P.967-972.

7. Fabian T., Posner J. D., O'Hayre R., Cha S.-W., Eaton J. K., Prinz F. B., Santiago J. G. // J. Power Sources, 2006. Vol. 161. P. 168-182.

8. Implantacija jona u poluprovodnike i druge materijale: Sat. Art. M.: Mir, 1980.

9. Pleshivtsev N.V., Bazhin A.I.. Fizika uticaja jonskih zraka na materijale. M.: Univerzitetska knjiga, 1998.

10. Ionska implantacija. M.: Metalurgija, 1985.

11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027/24, H01J003/04 / Mashkovtsev B.N. Metoda za proizvodnju jonskog snopa i uređaj za njegovu implementaciju.

12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2/00, A61L2/14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Uređaj za obradu proizvoda medicinske opreme jonskim snopom.

13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002/24 / Joseph N.A., Kevorkova R.A.,. Samkov A.V., Simakov A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Umjetni srčani zalistak i način njegove izrade.

14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Eksperimentalne metode i analize podataka za gorive ćelije s polimernim elektrolitom, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005. 122 str.

15. Nacionalna laboratorija za energetske tehnologije. Priručnik o gorivnim ćelijama, šesto izdanje, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, West Virginia, 2002. 352 str.

Elektrode SOFC proizvedene u ISSP RAN: zelena - anoda i crna - katoda. Gorivne ćelije se nalaze na bipolarnim SOFC pločama baterija

Nedavno je jedan moj prijatelj posjetio Antarktik. Zabavno putovanje! - rekla je ona, turistički biznis je dovoljno razvijen da putnika dovede do mesta i omogući mu da uživa u surovom sjaju Arktika bez smrzavanja. A to nije tako jednostavno kao što se čini - čak i uzimajući u obzir moderne tehnologije: električna energija i toplina na Antarktiku vrijede zlata. Procijenite sami, konvencionalni dizel agregati zagađuju djevičanski snijeg i zahtijevaju isporuku velikih količina goriva, a obnovljivi izvori energije još nisu baš efikasni. Na primjer, u muzejskoj stanici popularnoj među antarktičkim turistima, svu energiju proizvodi energija vjetra i sunca, ali su prostorije muzeja hladne, a četiri čuvara tuširaju se isključivo na brodovima koji dovode goste do njih.

Problemi sa stalnim i neprekidnim napajanjem poznati su ne samo polarnim istraživačima, već i svim proizvođačima i ljudima koji žive u udaljenim područjima.

Oni se mogu riješiti novim metodama skladištenja i proizvodnje energije, među kojima se čini da su kemijski izvori struje najperspektivniji. U ovim mini reaktorima energija hemijskih transformacija se direktno pretvara u električnu, bez pretvaranja u toplotu. Tako su gubici i, shodno tome, potrošnja goriva naglo smanjeni.

U hemijskim izvorima struje mogu se javiti različite reakcije, a svaka ima svoje prednosti i nedostatke: neke brzo „izgore“, druge mogu da rade samo pod određenim uslovima, na primer, na ultravisokim temperaturama, ili na strogo definisanom gorivu, kao npr. čisti vodonik. Grupa naučnika sa Instituta za fiziku čvrstog stanja RAS (ISSP RAS) predvođena Sergej Bredikhin oslanjao se na takozvanu gorivnu ćeliju čvrstog oksida (SOFC). Naučnici su uvjereni da će uz pravi pristup moći zamijeniti neefikasne generatore na Arktiku. Njihov projekat je podržan u okviru Federalnog ciljnog programa „Istraživanje i razvoj za 2014-2020.

Sergej Bredikhin, projektni menadžer Federalnog ciljanog programa „Razvoj laboratorijske skalabilne tehnologije za proizvodnju SOFC-ova planarnog dizajna i koncepta stvaranja na njihovoj osnovi elektrana za različite namjene i strukture, uključujući hibridne, sa proizvodnjom i ispitivanjem malog eksperimentalnog modela elektrane snage 500 - 2000 W”

Bez buke i prašine, ali sa punom efikasnošću

Danas se borba u energetskom sektoru vodi za koristan izlaz energije: naučnici se bore za svaki procenat efikasnosti. Generatori koji rade na principu unutrašnjeg sagorijevanja koristeći ugljikovodična goriva - lož ulje, ugalj, prirodni plin (posljednja vrsta goriva je ekološki najprihvatljivija). Gubici pri njihovoj upotrebi su značajni: čak i uz maksimalnu optimizaciju, efikasnost takvih instalacija ne prelazi 45%. Istovremeno, tijekom njihovog rada nastaju dušikovi oksidi (NOx), koji se, u interakciji s vodom u atmosferi, pretvaraju u prilično agresivne kiseline.

SOFC baterija pod mehaničkim opterećenjem

Čvrste oksidne gorivne ćelije (SOFC) nemaju takve „nuspojave“. Takve instalacije imaju efikasnost veću od 50% (i to je samo u smislu proizvodnje električne energije, a kada se uzme u obzir toplinska snaga, efikasnost može doseći 85-90%) i ne emituju opasna jedinjenja u atmosferu .

“Ovo je veoma važna tehnologija za Arktik ili Sibir, gdje su ekologija i problemi s isporukom goriva posebno važni. Zato što SOFC troše nekoliko puta manje goriva“, objasnio je Sergej Bredikhin. “Moraju raditi bez prestanka, tako da su pogodni za rad na polarnoj stanici ili sjevernom aerodromu.”

Uz relativno nisku potrošnju goriva, takva instalacija radi i bez održavanja do 3-4 godine. “Dizel generator koji se danas najčešće koristi zahtijeva promjenu ulja svakih hiljadu sati. A SOFC-i rade 10-20 hiljada sati bez održavanja”, naglasio je Dmitrij Agarkov, mlađi istraživač na ISTT-u.

Od ideje do baterije

Princip rada SOFC-a je prilično jednostavan. Oni predstavljaju „bateriju“ u kojoj je sastavljeno nekoliko slojeva čvrstih oksidnih gorivnih ćelija. Svaki element ima anodu i katodu; gorivo mu se dovodi sa anodne strane, a zrak mu se dovodi sa katodne strane. Važno je napomenuti da su različita goriva pogodna za SOFC, od čistog vodika do ugljičnog monoksida i raznih ugljikovodičnih spojeva. Kao rezultat reakcija koje se odvijaju na anodi i katodi, troše se kisik i gorivo, a između elektroda se stvara struja iona. Kada je baterija integrisana u električni krug, struja počinje da teče.

Računarsko modeliranje raspodjele struja i temperaturnih polja u SOFC bateriji dimenzija 100×100 mm.

Neugodna karakteristika rada SOFC-a je potreba za visokim temperaturama. Na primjer, uzorak prikupljen na ISSP RAS radi na 850°C. Generatoru je potrebno oko 10 sati da se zagrije na radnu temperaturu, ali će tada raditi nekoliko godina.

Ćelije čvrstog oksida koje se razvijaju u ISSP RAS proizvodit će do dva kilovata električne energije, ovisno o veličini ploče za gorivo i broju ovih ploča u bateriji. Mali prototipovi baterija od 50 vati već su sastavljeni i testirani.

Posebnu pažnju treba obratiti na same ploče. Jedna ploča se sastoji od sedam slojeva, od kojih svaki ima svoju funkciju. Svaki od dva sloja na katodi i anodi katalizuju reakciju i omogućavaju prolazak elektrona; keramički sloj između njih izolira različite medije (vazduh i gorivo), ali omogućava prolazak nabijenih jona kisika. Istovremeno, sama membrana mora biti dovoljno čvrsta (keramika ove debljine se vrlo lako ošteti), pa se i sama sastoji od tri sloja: središnji daje potrebna fizička svojstva - visoku ionsku provodljivost - i dodatni slojevi koji se nanose na oba sloja. strane pružaju mehaničku čvrstoću. Međutim, jedna gorivna ćelija je vrlo tanka - ne više od 200 mikrona debljine.

SOFC slojevi

Ali jedna gorivna ćelija nije dovoljna - cijeli sistem mora biti smješten u spremnik otporan na toplinu koji će izdržati radne uvjete nekoliko godina na temperaturi od 850 ° C. Inače, u okviru projekta, za zaštitu metalnih konstrukcijskih elemenata, naučnici ISSP RAN koriste premaze razvijene tokom drugog projekta.

„Kada smo započeli ovaj projekat, bili smo suočeni sa činjenicom da u našoj zemlji nemamo ništa: nema sirovina, nema lepkova, nema zaptivača“, rekao je Bredikhin. “Morali smo učiniti sve.” Radili smo simulacije i vježbali na malim gorivnim ćelijama u obliku peleta. Saznali smo kakvi bi trebali biti u sastavu i konfiguraciji i kako bi trebali biti smješteni.”

Osim toga, mora se uzeti u obzir da gorivna ćelija radi u okruženju visoke temperature. To znači da je potrebno osigurati nepropusnost, provjeriti da na ciljnoj temperaturi materijali neće međusobno reagirati. Važan zadatak je bio "sinhronizacija" širenja svih elemenata, jer svaki materijal ima svoj linearni koeficijent toplinskog širenja, a ako nešto nije usklađeno, kontakti mogu otpasti, brtvila i ljepila mogu puknuti. Istraživači su dobili patent za proizvodnju ovog elementa.

Na putu realizacije

Vjerovatno je to razlog zašto je Bredikhinova grupa na ISTP-u izgradila cijeli sistem korak po korak pripreme prvih materijala, zatim ploča i, na kraju, gorivnih ćelija i generatora. Pored ovog primijenjenog krila, postoji i smjer koji se bavi fundamentalnom naukom.

Unutar zidova IFTT-a vrši se skrupulozna kontrola kvaliteta svake serije gorivnih ćelija

Glavni partner u ovom projektu je Državni istraživački centar Krylov, koji djeluje kao vodeći developer elektrane, uključujući razvoj potrebne projektne dokumentacije i proizvodnju hardvera u njenoj pilot proizvodnji. Dio posla obavljaju i druge organizacije. Na primjer, keramičku membranu koja razdvaja katodu i anodu proizvodi novosibirska kompanija NEVZ-Ceramics.

Inače, učešće centra za brodogradnju u projektu nije slučajno. Još jedno obećavajuće područje primjene SOFC-a mogle bi biti podmornice i podvodni dronovi. Takođe im je izuzetno važno koliko dugo mogu biti potpuno autonomni.

Industrijski partner projekta, Fondacija Energy Without Borders, može organizirati proizvodnju malih serija generatora od dva kilovata u Istraživačkom centru Krylov, ali se naučnici nadaju značajnom proširenju proizvodnje. Prema programerima, energija dobijena u SOFC generatoru je konkurentna čak i za domaću upotrebu u udaljenim krajevima Rusije. Očekuje se da će cijena kW*sat biti oko 25 rubalja, a uz trenutnu cijenu energije u Jakutiji do 100 rubalja po kW*sat, takav generator izgleda vrlo atraktivno. Tržište je već pripremljeno, siguran je Sergej Bredikhin, glavna stvar je imati vremena da se dokažete.

U međuvremenu, strane kompanije već uvode generatore na bazi SOFC. Lider u ovom pravcu je američka Bloom Energy, koja proizvodi instalacije od sto kilovata za moćne računske centre kompanija kao što su Google, Bank of America i Walmart.

Praktična korist je jasna - ogromni podatkovni centri napajani takvim generatorima trebali bi biti neovisni o nestancima struje. Ali pored toga, velike firme nastoje održati imidž progresivnih kompanija koje brinu o okolišu.

Samo u Sjedinjenim Državama potrebna su velika državna plaćanja za razvoj takvih "zelenih" tehnologija - do 3.000 dolara za svaki proizvedeni kilovat energije, što je stotine puta više od finansiranja ruskih projekata.

U Rusiji postoji još jedna oblast u kojoj upotreba SOFC generatora izgleda vrlo obećavajuće - katodna zaštita cjevovoda. Prije svega, riječ je o plinovodima i naftovodima koji se protežu stotinama kilometara kroz napušteni krajolik Sibira. Utvrđeno je da kada se napon dovede na metalnu cijev, ona je manje podložna koroziji. Trenutno, katodne zaštitne stanice rade na termogeneratorima, koje je potrebno stalno pratiti i čija je efikasnost samo 2%. Njihova jedina prednost je niska cijena, ali ako gledate dugoročno, uzmite u obzir i troškove goriva (koji su podstaknuti sadržajem cijevi), a ova njihova “zasluga” izgleda neuvjerljivo. Uz pomoć stanica na bazi SOFC generatora moguće je organizovati ne samo nesmetano snabdevanje naponom gasovoda, već i prenos električne energije za telemetrijska istraživanja... Kažu da je Rusija bez nauke cev. Ispostavilo se da je i ova cijev cijev bez nauke i novih tehnologija.

Razvoj gorivih ćelija je možda najpoželjnija tehnologija u transportnoj industriji danas, pri čemu programeri troše ogromne količine novca svake godine u potrazi za održivom alternativom (ili dopunom) motoru sa unutrašnjim sagorevanjem. Tokom proteklih nekoliko godina, inženjeri Dana fokusirali su svoje proizvodne i inženjerske sposobnosti na izazov smanjenja ovisnosti vozila o tradicionalnim izvorima energije. Tokom ljudske istorije, glavni izvori energije su se menjali od čvrstih goriva (kao što su drvo i ugalj) ka tečnim (nafta). U narednim godinama mnogi vjeruju da će plinoviti proizvodi postepeno postati dominantan izvor energije u cijelom svijetu.

Ukratko, gorivna ćelija je elektrohemijski uređaj koji pretvara energiju hemijske reakcije direktno u električnu energiju, toplotu i pepeo. Ovaj proces poboljšava nisku efikasnost tradicionalne termomehaničke konverzije energetskog nosača.

Rice. Vozilo na gorive ćelije

Vodik je prvi primjer obnovljivog plinovitog goriva koje omogućava da se takva reakcija dogodi i na kraju proizvede električnu energiju. I ovaj proces ne zagađuje okoliš.

Tipičan model vodonične gorivne ćelije uključuje vodonik koji teče prema anodi gorivne ćelije, gdje se molekule vodonika dijele na elektrone i pozitivno nabijene ione kroz elektrohemijski proces u prisustvu platinskog katalizatora. Elektroni idu oko membrane za izmjenu protona (PEM), stvarajući tako električnu struju. Istovremeno, pozitivni joni vodika nastavljaju da difundiraju kroz gorivnu ćeliju kroz PEM. Elektroni i pozitivni ioni vodika zatim se spajaju s kisikom na strani katode kako bi formirali vodu i oslobađali toplinu. Za razliku od tradicionalnog automobila sa motorom sa unutrašnjim sagorevanjem, električna energija se skladišti u baterijama ili ide direktno u vučne motore, koji zauzvrat pokreću točkove.

Jedna od prepreka sistemima gorivnih ćelija je trenutni nedostatak infrastrukture za proizvodnju ili snabdevanje dovoljnim količinama vodonika. Kao rezultat toga, glavni neriješeni problem ostaje dostupnost određene vrste goriva koje se koristi u gorivim ćelijama. Benzin i metanol su najvjerovatniji nosioci energije za gorivne ćelije. Međutim, svaka vrsta goriva se i dalje suočava sa svojim izazovima.

Tehnologija se trenutno razvija za kompozitne bipolarne ploče zalemljene u mrežu, cijevi i integrirane izolatore. Inženjeri razvijaju metalne bipolarne ploče sa posebnim premazima, visokotemperaturne strujne kanale, visokotemperaturne izolatore i zaštitu od visokih temperatura. Takođe razvijaju metode upravljanja i dizajn za procesore goriva, parne kondenzatore, predgrejače i module za hlađenje sa integrisanim ventilatorima i motorima. I dalje se razvijaju rješenja za transport vodonika, ugljičnih tekućina, dejonizirane vode i zraka do različitih dijelova sistema. Danaina grupa za filtraciju razvija filtere za ulaz zraka u sistem gorivih ćelija.

Poznato je da je vodonik gorivo budućnosti. Također se vjeruje da će gorivne ćelije na kraju imati značajan utjecaj na automobilsku industriju.

Očekuje se da će automobili i kamioni sa pomoćnim gorivnim ćelijama za napajanje sistema klimatizacije i druge elektronike uskoro krenuti na puteve.

Rice. Gorivne ćelije na automobilu (

Vlasnici patenta RU 2267833:

Pronalazak se odnosi na automobilsku industriju, brodogradnju, energetiku, hemijsku i elektrohemijsku industriju, posebno na elektrolizu za proizvodnju hlora, a može se koristiti u proizvodnji gorivih ćelija sa membransko-elektrodnom jedinicom. Tehnički rezultat izuma je proširenje funkcionalnosti, poboljšanje performansi i karakteristika bipolarnih ploča i gorive ćelije u cjelini, dobijanje bipolarnih ploča sa strujnim izbočinama proizvoljnog oblika i lokacije sa visinom izbočenja od 0,3 do 2,0 mm, kao i povećanje efikasnosti transporta reagensa i uklanjanja produkta reakcije, povećanje otpornosti na koroziju duž periferije sa tehnološkim opterećenjem, koje čini jedinstvenu cjelinu sa centralnim elektroprovodljivim dijelom koji ima funkcionalno opterećenje. Bipolarna ploča koja se sastoji od perifernih dijelova sa rupama i središnjeg dijela sa strujnim izbočinama proizvoljnog oblika, čiji su vrhovi smješteni u istoj ravni sa perifernim dijelovima, dok su strujne izbočine izrađene sa zadatom osnovnom površinom , sa smanjenim prečnikom u bazi od 0,5-3,0 mm, visinom od 0,3 do 2,0 mm i sa razmakom između centara strujnih izbočina 1,0-4,0 mm. Metoda za proizvodnju bipolarne ploče uključuje pripremu termoreaktivne smole date kompozicije u isparljivom otapalu s ugljičnim punilom, miješanje, sušenje, žarenje i prešanje ponovljenim punjenjem do tlaka od 15-20 MPa na temperaturi očvršćavanja smole. . U tom slučaju, smjesa se žari na temperaturi 50-60°C nižoj od temperature termoreaktivne smjese. Prilikom pripreme mješavine ugljenih prahova sa rastvaračem, odnos čvrste i tečne faze je u rasponu od 1:3 do 1:5. U sastav početne smjese za presovanje dodaje se 0,1-3% sredstva za napuhavanje. 2 n. i 6 plata f-ly, 3 ill.

Pronalazak se odnosi na automobilsku industriju, brodogradnju, energetiku, hemijsku i elektrohemijsku industriju, posebno na elektrolizu za proizvodnju hlora, a može se koristiti u proizvodnji gorivih ćelija sa membransko-elektrodnom jedinicom.

Poznate su bipolarne ploče koje se sastoje od centralnog i perifernog dijela smještenog oko središnjeg dijela. Na središnjem dijelu, s jedne ili obje strane, smješteni su uzdužni paralelni labirintski žljebovi za distribuciju tokova plinovitih reagensa, formirajući između sebe funkcionalne strujne izbočine sa vrhovima smještenim u istoj ravni, s jednom središnjom i dvije dijagonalne rupe za cirkulaciju i distribucija tokova elektrolita. Na perifernim dijelovima ploča nalaze se rupe za njihovo sklapanje u paket. Periferni i središnji dio su odvojeni zaptivnim elementom po obodu središnjeg dijela. Štaviše, za organiziranu distribuciju tokova plinovitih reagensa, uzdužni paralelni žljebovi, kao i funkcionalne izbočine koje nose struju, imaju labirintski smjer od centralne rupe do perifernih rupa ili obrnuto, pogledajte reklamni katalog Schunk KOHLNSTOFF GmbH .

Nedostaci poznatih bipolarnih ploča gorivih ćelija su smanjenje efikasnosti transporta reagensa i uklanjanja produkta reakcije u zaštićenim područjima poroznog kolektora struje i, kao posljedica toga, smanjenje gustine struje gorivne ćelije. pri datom naponu postoji mogućnost blokiranja kanala kapljicama kondenzujuće vode tokom fluktuacija temperaturnog režima gorivne ćelije i/ili ravnoteže vode u sistemu, što takođe dovodi do smanjenja efikasnosti transporta reagensa i uklanjanje produkta reakcije kroz ove kanale i, kao posljedica toga, smanjenje gustoće struje gorivne ćelije pri datom naponu.

Poznata je metoda za proizvodnju bipolarnih ploča, koja uključuje pripremu mješavine termoreaktivne smole određenog sastava u hlapljivom otapalu, miješanje ugljičnog punila sa pripremljenom otopinom do homogene smjese, sušenje, prešanje i termoreaktiviranje (američka patentna prijava br. US 2002/0037448 A1 od 28.03.2002, MKI N 01 M 8/02; N 01 V 1/4; N 01 V 1/20).

Nedostatak ove poznate metode je što se termoreaktiviranje ne vrši istovremeno, već nakon presovanja proizvoda. Osim toga, niskotemperaturno sušenje smjese ne osigurava uklanjanje velike količine hlapljivih komponenti iz veziva, što dovodi do neprešanja mikrovolumena u materijalu bipolarnih ploča, posebno na mjestima strujnih izbočina. koji služe za obezbeđivanje električnog kontakta i mehaničkog pritiska strujnog kolektora na katalitički sloj, što dovodi do formiranja defektnih mesta u podnožju izbočina i uništavanja potonjeg pod uticajem opterećenja tokom montaže i rada gorivne ćelije. baterija.

Najbliže tehničko rješenje su bipolarne ploče i način njihove izrade, koji se sastoje od središnjih i perifernih dijelova koji se nalaze suprotno u odnosu na središnji dio. Na središnjem dijelu, s jedne ili obje strane, za distribuciju tokova plinovitih reagensa, nalaze se uzdužni paralelni žljebovi, koji tvore strujne izbočine jedni s drugima s vrhovima koji se nalaze u ravnini perifernih dijelova ploča i povezuju ih . Na perifernim dijelovima ploča nalaze se prolazne rupe, koje nakon sklapanja u paket sa susjednim pločama formiraju uzdužne kanale za poboljšanje cirkulacije i distribucije tokova elektrolita. Metoda za proizvodnju bipolarnih ploča uključuje mešanje praškastih komponenti ugljen-grafita i termoplastičnog veziva otpornog na koroziju, hladno prešanje praškaste mešavine u kalup na 14500 kPa, zagrevanje na 150°C, smanjenje pritiska na 2000 kPa, podizanje temperature na 205°C, vraćajući pritisak na 14500 kPa, uz završnu fazu postepenog smanjenja pritiska i temperature. Vidi opis patenta RU br. 2187578 C2, MPK 7 C 25 V 9/04, 9/00.

Nedostaci poznatih bipolarnih ploča su ujednačena raspodjela strujanja samo na kratkom dijelu, određena dužinom srednjeg dijela, i ograničen prostor za raspodjelu tokova plinovitih reagensa, određen brojem uzdužnih paralelnih žljebova. Nedostatak poznate metode za proizvodnju bipolarnih ploča je složena tehnologija proizvodnje, što dovodi do smanjenja efikasnosti formiranja strujnih izbočina i dodatnih troškova.

Tehnički rezultat izuma je proširenje funkcionalnosti, poboljšanje performansi i karakteristika bipolarnih ploča i gorive ćelije u cjelini, dobijanje bipolarnih ploča sa strujnim izbočinama proizvoljnog oblika i lokacije sa visinom izbočenja od 0,3 do 2,0 mm, kao i povećanje efikasnosti transporta reagensa i uklanjanja produkta reakcije, povećanje otpornosti na koroziju duž periferije sa tehnološkim opterećenjem, koje čini jedinstvenu cjelinu sa centralnim elektroprovodljivim dijelom koji ima funkcionalno opterećenje. Tehnički rezultat postignut je činjenicom da se u bipolarnoj ploči koja se sastoji od perifernih dijelova s ​​rupama i središnjeg dijela sa strujnim izbočinama, čiji su vrhovi smješteni u istoj ravni kao i periferni dijelovi, izbočine koje vode struju su izrađene sa zadatom geometrijskom površinom osnove, sa smanjenim prečnikom u osnovi od 0,5 -3,0 mm, visinom od 0,3 do 2,0 mm i sa razmakom između centara strujnih izbočina 1,0-4,0 mm, izrađene sa bazom u u obliku kruga ili kvadrata, ili pravougaonika, ili elipse, ili romba, ili trapeza, ili njihove kombinacije, strujne izbočine su napravljene u obliku skraćene piramide, ili cilindra, ili stošca, ili piramide; strujovodne izbočine su napravljene u obliku prizme sa smanjenim prečnikom u osnovi od 0,5-3,0 mm, visinom od 0,3 do 2,0 mm i sa razmakom između centara strujnih izbočina od 1,0-4,0 mm, pri čemu su izbočine koje nose struju raspoređene nasumično ili poređano, ili u šahovskom, ili rombičnom, ili kružnom, ili spiralnom, ili labirintskom redoslijedu njihovog rasporeda, te u metodi za proizvodnju bipolarnih ploča, uključujući pripremu mješavine termoreaktivna smola datog sastava u isparljivom rastvaraču, uvođenjem ugljeničnog punila i mešanjem do homogenosti, sušenjem, prešanjem i termoreaktivnim, smeša se pre presovanja podvrgava sušenju nakon čega sledi žarenje na temperaturi 50-60°C nižoj od termoreaktivne. temperature smjese, a prešanje se vrši ponovljenim opterećenjem do tlaka od 15-20 MPa, uz istovremeno zagrijavanje dok smjesa ne očvrsne, žarenje se vrši postupnim povećanjem temperature za 10,0-15,0 sati i naknadnim drži na ovoj temperaturi 1,0-2,0 sata, a prešanje se vrši na temperaturi radnog tijela jedinice za presovanje 1,5-2,0 puta višoj od temperature žarenja, odnos "t:l" pri formiranju mješavine ugljika praškovi sa rastvaračem termoreaktivne smole biraju se u rasponu od 1:3 do 1:5, u sastav početne smjese za presovanje dodaje se 0,1-3,0% agensa za puhanje.

Ovo će osigurati ravnomjernu distribuciju reagensa po površini gorivne ćelije i efikasno uklanjanje produkta reakcije i, kao posljedicu, povećati gustinu struje na ćeliji gorive ćelije pri datom naponu.

U metodi proizvodnje bipolarnih ploča, koja uključuje pripremu mješavine termoreaktivne smole određenog sastava u hlapljivom otapalu, unošenje ugljičnog punila i njihovo miješanje do homogenosti, sušenje, prešanje i termoreaktiviranje, smjesa se podvrgava sušenju prije presovanja. , nakon čega slijedi žarenje na temperaturi 50-60°C nižoj od temperature termoreaktivne smjese, a presovanje se vrši ponovljenim opterećenjem do pritiska od 15-20 MPa istovremeno sa zagrijavanjem koje odgovara očvršćavanju smjese. U ovom slučaju, žarenje se vrši postepenim povećanjem temperature za 10,0-15,0 sati i naknadnim držanjem na ovoj temperaturi 1,0-2,0 sata, a prešanje se vrši na temperaturi radnog tijela jedinice za presovanje od 1,5- 2,0 puta veća od temperature žarenja. Omjer "t:l" (čvrsta i tečna faza) pri formiranju mješavine ugljičnih prahova sa rastvaračem termoreaktivne smole (aceton) varira u rasponu od 1:2 do 1:5, a u sastav se dodaje 0,1-3 početne smjese za presovanje 0% (tež.) sredstva za napuhavanje.

Potreba za korištenjem termoreaktivne smole uzrokovana je eksperimentalno utvrđenom činjenicom nedostatka odgovarajućeg zbijanja područja strujnih izbočina prilikom pritiskanja BP koji sadrži ugljik na termoplastično vezivo, što se izražavalo u slaboj adheziji strujnovoda. izbočine na tijelu ploče i njihovo odvajanje. Prisutnost termoreaktivne smole bilo kojeg sastava u smjesi za presovanje u ovom slučaju omogućava formiranje strujnih izbočina bez defekta i BP-a u cjelini prema mehanizmu sinteriranja s tečnom fazom koja nestaje ubrzo nakon njenog pojavljivanja uprkos kontinuiranom radu. grijanje.

Redoslijed glavnih operacija koje se dešavaju tokom bipolarnih ploča je sljedeći: formiranje tankog sloja polimernog termoreaktivnog veziva na površini čestica ugljičnog punila tokom pripreme smjese, njeno sušenje i naknadno žarenje, zbijanje smjese, pojava tečne faze zbog topljenja vezivnog sloja na česticama punila, daljeg zbijanja proizvoda usled skupljanja karakterističnog za tečnofazno sinterovanje, termoreaktivnog veziva i proizvoda u celini.

Potreba za žarenjem prije presovanja nastaje zbog prisustva u aglomeriranim mješavinama velikog broja isparljivih komponenti koje ometaju efikasno presovanje. Viša temperatura žarenja može dovesti do nepoželjnih procesa preranog stvrdnjavanja veziva u pojedinačnim mikrovolumenima smjese, a žarenje na nižoj temperaturi pokazuje se neučinkovitim.

Važan parametar je pritisak pritiska. Za mješavine ugljikovih dispergiranih punila i termoreaktivnog veziva, pritisak presovanja ovisi o specifičnoj vrsti punila i ne smije prelaziti vrijednost iznad koje se tečno vezivo istiskuje iz smjese - 20 MPa. Nizak pritisak pritiska (manji od 15 MPa) ne obezbeđuje efikasno zaptivanje BP-a, posebno u području izbočina koje nose struju.

Izvođenje presovanja istovremeno sa zagrijavanjem kalupa mješavinom za očvršćavanje omogućava implementaciju 4. faze gore navedenog niza pojava koje se javljaju prilikom formiranja ploča.

Dizajn bipolarne ploče je ilustrovan na crtežima, gde je na slici 1 prikazan opšti prikaz bipolarne ploče, a na slici 2 je poprečni presek ploče duž A-A sa strujnim izbočinama u obliku, na primjer, cilindar; Slika 3 je poprečni presjek ploče duž A-A sa strujnim izbočinama napravljenim u obliku, na primjer, konusa ili piramide.

Bipolarna ploča se sastoji od centralnog dijela 1 i perifernog dijela 2. Središnji dio ima izbočine 3 čiji su vrhovi u istoj ravni kao i periferni dio, visine od 0,3 do 2 mm i prečnika u osnovi. od 0,5-3,0 mm. Izbočine su postavljene u linearnom redu vertikalno i horizontalno sa nagibom od 1,0-4,0 mm i omogućavaju, uz veću razvijenu površinu i zapreminu prolaska tokova gasovitih reagensa, da se nastali naponi (pritisci) rasporede u svim pravcima. Moguć je šahovni, rombični, kružni, spiralni ili labirintski raspored izbočina. I same izbočine mogu imati oblik cilindra, skraćene piramide, prizme i/ili krnjeg konusa. Eksperimentalno je utvrđeno da se u zavisnosti od zadatih prečnika izbočina, njihove visine i razmaka između centara izbočina razlikuje optimalni oblik strujnih izbočina, jer optimizuju tokove reagensa, efikasnost prenosa toplote i električnu provodljivost u Različiti putevi. Dakle, posebno za nagib od 1 mm, optimalan oblik je skraćena piramida. Za izbočine s promjerom baze od 0,5 mm, optimalan oblik je elipsa. Za izbočine koje nose struju visine 0,3 mm, optimalan oblik je cilindar. Za specifične režime rada (jačina struje, napon, protok reagensa, veličina ćelije, itd.), odabir optimalnog oblika strujnih izbočina i njihovih geometrijskih dimenzija vrši se pojedinačno.

Bipolarne ploče se izrađuju na sljedeći način.

Kombinacija komponenti raspršenih ugljikom se miješa kako bi se formirala homogena smjesa sa određenom količinom otopine termoreaktivne smole. Ugljične dispergirane komponente mogu biti grafit, čađ, sjeckana vlakna, drobljeni koks itd. Uz periodično miješanje, pripremljena smjesa se stavlja na sušenje na sobnu temperaturu kako bi se uklonila glavna količina isparljivih komponenti. Na ovaj način moguće je dobiti poluproizvod u obliku, na primjer, granula za naknadni proces proizvodnje BP. Zatim, nakon vizuelnog pregleda, suva mješavina se žari na temperaturi 50-60°C nižoj od temperature termoreaktivne. Zatim se žarena smjesa utiskuje pod pritiskom od 15-20 MPa u kalupu, čiji su proboji napravljeni sa udubljenjima koja tokom presovanja i sušenja formiraju strujne izbočine. Istovremeno sa presovanjem, kalup sa smjesom se zagrijava od temperature žarenja do temperature očvršćavanja. Nakon držanja na temperaturi očvršćavanja 0,5-1 sat, kalup se vadi iz prese i hladi na zraku, a zatim se pritisne posebnim uređajem.

Važno svojstvo bipolarne ploče je struktura njene površine. Da bi se dobile veće karakteristike gorivne ćelije, preporučljivo je da površina duž koje prolaze radni plinovi između izbočina koje vode struju ima određenu hrapavost i mikroporoznost. U ovom slučaju, voda nastala kao rezultat reakcije između plinova djelomično se akumulira u prizemnim porama i na taj način povećava vlažnost plinova, što pozitivno utiče na specifične energetske karakteristike gorivne ćelije. Formiranje željene strukture površinskog sloja prema predloženoj metodi, za razliku od prototipa, nastaje unošenjem u sastav početne smjese za presovanje 0,1-3,0% (mas.) u odnosu na čvrstu komponentu materijala. mješavina (“t”) agensa za napuhavanje (amonijum karbonat, polietilen glikol, polietilen). Sredstvo za napuhavanje uneseno u početnu smjesu za taloženje vode ne utiče na stvrdnjavanje veziva i, razlažući se tokom termičke obrade i presovanjem tokom stvrdnjavanja, formira mikroporoznu strukturu ploče, a samim tim i pripovršinski sloj (do dubine od 1-2 μm).

Smanjenje sadržaja sredstva za formiranje pora na manje od 0,1% praktički nema utjecaja na mikroporoznost i hrapavost površinskog sloja, a povećanje sadržaja sredstva za formiranje pora iznad 3,0% je nepraktično zbog smanjenja mehaničke čvrstoće i moguće pojave. propusnosti ploča.

Metoda za proizvodnju bipolarne ploče ilustrirana je sljedećim primjerima.

Primjer 1. Za izradu jednog izvora napajanja (sa cilindričnim strujnim izbočinama raspoređenim linearno, prečnika 0,5 mm, visine 0,5 mm, sa razmakom između centara izbočina od 1,0 mm) veličine 100 × 100 mm, debljine 7 mm i težine 115 d pripremite smjesu sljedećeg sastava sa omjerom “s:l” = 1,33:3,00

Grafit KS-10 - 98 g

PM-100 čađa - 1 g

Bakelitni lak marke LBS-1 - 34 g

Aceton - 300 g.

U mjernoj posudi pomiješajte navedenu količinu bakelitnog laka i, na primjer, acetona dok otopina ne dobije jednoličnu boju. Uzorak grafitnog praha i čađi se prethodno pomiješaju na suho dok se ne postigne homogena smjesa. Zatim smjesu pudera i otopine bakelit laka stavite u posudu za miješanje i mehanički miješajte 5-10 minuta dok ne postane homogena. Zatim ostavite smjesu ispod dimnjaka da se suši na sobnoj temperaturi 12-15 sati dok se vizualno ne osuši, povremeno miješajući smjesu dok se suši i mljevenje krupnih (više od 2-3 mm) nakupina kroz metalnu mrežu sa veličinom oka od 2 mm. Uzorak suve mešavine se sipa u kalup, kalup se stavlja u rernu i zagreva se na temperaturu od 90°C 13,5-14 sati, nakon čega se na ovoj temperaturi drži 2 sata. rernu i stavite u hidrauličnu prešu zagrijanu na 170°C. Pritiskali su presu u trzajima (ovo je brzina utovara) 1-2 sekunde do otprilike sile od 22 tone.Nakon cca 5 sekundi držanja sila se ponovo povećava na 22-25 tona. Ostavite punjenje ispod prese 1 sat, nakon čega se kalup izvadi iz prese i ostavi da se ohladi na sobnoj temperaturi. Nakon hlađenja, kalup se istovaruje na ručnu vijčanu prešu pomoću 4 čelična ejektora. Vizualna kontrola kvalitete napajanja ukazuje na odsutnost ogrebotina, nedostataka i pukotina na površini ploče (uključujući u području izbočina koje nose struju), raslojavanje materijala za napajanje na granici između područja strujnih izbočina i baze napajanja. Prilikom ispitivanja ploče nakon ispitivanja čvrstoće (ploča se postavlja između čeličnih ploča i podvrgava kompresiji silom od 5 tona (pritisak 5 MPa), što odgovara radnoj sili u gorivoj ćeliji tokom 1 sata), nema promjena ili otkriveni su nedostaci. Vrijednost zapreminskog otpora bila je 0,025 Ohm cm.

Primjer 2. Bipolarna ploča je izrađena od kompozicije i metodom sličnom primjeru 1 sa izbočinama u obliku krnjeg stošca prečnika 3,0 mm u osnovi, 2,5 mm na vrhu, 2,0 mm visine, sa razmak između centara izbočina 4,0 mm.

Prije i nakon ispitivanja čvrstoće nisu pronađeni površinski defekti ili izbočine. Vrijednost zapreminskog otpora je 0,030 Ohm cm.

Primer 3. Izrađena je bipolarna ploča sa konfiguracijom i po metodi sličnoj primeru 1, ali se kao termoreaktivno koristi epoksifenol vezivo br. 560 proizvođača FDR Državni naučni centar "VIAM" u količini od 31 g. vezivo.

Prije i nakon ispitivanja čvrstoće nisu pronađeni površinski defekti ili izbočine. Vrijednost zapreminskog otpora je 0,017 Ohm cm.

Primer 4. Bipolarna ploča se proizvodi sa konfiguracijom i prema metodi sličnoj primeru 1, u početnu smešu se dodaje agens za napuhavanje - prah polietilena visoke gustine u količini od 3,5 g (3,0 mas.%). pritiskom. Prije i nakon ispitivanja čvrstoće nisu pronađeni površinski defekti ili izbočine. Vrijednost zapreminskog otpora je 0,028 Ohm cm. Poroznost pripovršinskog sloja (do 100 µm dubine), mjerena sorpcijom vode, iznosi 2,8%.

Primjer 5. Bipolarna ploča je napravljena sa konfiguracijom sličnom primjeru 1, iz sastava i prema metodi opisanoj u primjeru 9.

Prije ispitivanja čvrstoće pronađeno je do 10% uništenih i neispravnih izbočina, nakon čega je broj uništenih izbočina bio oko 30%. Vrijednost zapreminskog otpora je 0,025 Ohm cm.

Primjer 6. Bipolarna ploča je napravljena sa konfiguracijom i korištenjem metode sličnog primjeru 1 (izbočine koje vode struju su raspoređene linearno) i testirana je u gorivoj ćeliji pod sljedećim uvjetima:

Membrana - MF4-SK debljine 135 mikrona

Katalizator - Pt 40 /C u količini od 2,5 mg/cm 2

Gorivo - vodonik pod pritiskom od 2 at

Oksidator - kiseonik pod pritiskom od 3 at

Radna temperatura ćelije - 85°C

Reakcija na anodi: H 2 →2H + +2e -

Reakcija na katodi: O 2 +4e - +4H + →2H 2 O

Ukupna reakcija: O 2 +2H 2 →2H 2 O

Pri naponu od 0,7 V, maksimalna gustina struje je 1,1 A/cm 2 .

Primjer 7. Bipolarna ploča je napravljena konfiguracijom i metodom sličnom primjeru 1, ali su izbočine koje prenose struju raspoređene rombično i testirane u gorivoj ćeliji pod uslovima sličnim primjeru 6. Pri naponu od 0,7 V maksimalni gustina struje je 1,25 A/cm 2 .

Primjer 8. Bipolarna ploča je napravljena od kompozicije i prema metodi sličnoj primjeru 1, izbočine su napravljene u obliku prizme prečnika 2 mm, visine 1,5 mm, sa razmakom između centara izbočina od 3,0 mm, a strujne izbočine su raspoređene rombično i ispitivanja se vrše u gorivoj ćeliji pod uslovima sličnim primjeru 6. Pri naponu od 0,7 V, maksimalna gustina struje je bila 0,95 A/cm 2 .

Primjer 9. Bipolarna ploča je napravljena sa konfiguracijom sličnom poznatom tehničkom rješenju, iz sastava i prema metodi opisanoj u primjeru 9, ispitivanja se izvode u gorivoj ćeliji pod uslovima sličnim primjeru 6. Na naponu od 0,7 V, maksimalna gustina struje je bila 0,9 A /cm 2. Eksperimentalno je utvrđeno da se, u zavisnosti od zadatih prečnika izbočina, njihove visine i razmaka između centara izbočina, razlikuje optimalni oblik strujnih izbočina, jer optimizuju protok reagensa, efikasnost prenosa toplote i električnu energiju. provodljivosti na različite načine. Dakle, posebno za nagib od 1 mm, optimalan oblik je skraćena piramida. Za izbočine s promjerom baze od 0,5 mm, optimalan oblik je elipsa. Za izbočine koje nose struju visine 0,3 mm, optimalan oblik je cilindar. Za specifične režime rada (jačina struje, napon, protok reagensa, veličina ćelije, itd.), odabir optimalnog oblika strujnih izbočina i njihovih geometrijskih dimenzija vrši se pojedinačno.

Pronalazak omogućava proširenje funkcionalnosti, poboljšanje radnih svojstava i karakteristika bipolarnih ploča i gorive ćelije u cjelini i dobijanje bipolarnih ploča sa strujnim izbočinama proizvoljnog oblika i lokacije sa visinom izbočina od 0,3 do 2,0 mm, kao i povećanje efikasnosti transporta reagensa i odstranjivanja produkta reakcije, povećanje otpornosti na koroziju duž periferije sa tehnološkim opterećenjem, koja čini jedinstvenu cjelinu sa centralnim elektroprovodljivim dijelom koji ima funkcionalno opterećenje.

1. Bipolarna ploča za gorivnu ćeliju, koja se sastoji od perifernih dijelova s ​​rupama i središnjeg dijela sa strujnim izbočinama, čiji su vrhovi smješteni u istoj ravni kao i periferni dijelovi, naznačena time što su izbočine za struju izrađene sa zadatom osnovnom površinom sa smanjenim prečnikom u osnovi od 0,5 -3,0 mm, visinom od 0,3 do 2,0 mm i sa razmakom između centara strujnih izbočina 1,0-4,0 mm.

2. Bipolarna ploča prema patentnom zahtjevu 1, naznačena time što su izbočine koje nose struju napravljene s osnovom u obliku kruga, kvadrata, pravokutnika, elipse, romba, trapeza ili njihove kombinacije.

SAD imaju nekoliko inicijativa usmjerenih na razvoj vodoničnih gorivnih ćelija, infrastrukture i tehnologije kako bi vozila na gorivne ćelije praktična i ekonomična do 2020. godine. Za ove namjene izdvojeno je više od milijardu dolara.

Gorivne ćelije proizvode električnu energiju tiho i efikasno, bez zagađivanja životne sredine. Za razliku od izvora energije koji koriste fosilna goriva, nusproizvodi gorivih ćelija su toplota i voda. Kako radi?

U ovom članku ćemo se ukratko osvrnuti na svaku od postojećih tehnologija goriva danas, kao i govoriti o dizajnu i radu gorivnih ćelija, te ih usporediti s drugim oblicima proizvodnje energije. Također ćemo razgovarati o nekim od prepreka sa kojima se istraživači suočavaju kako bi gorivne ćelije bile praktične i pristupačne za potrošače.

Gorivne ćelije su uređaji za elektrohemijsku konverziju energije. Goriva ćelija pretvara hemikalije, vodonik i kiseonik, u vodu, stvarajući električnu energiju u procesu.

Još jedan elektrohemijski uređaj koji nam je svima dobro poznat je baterija. Baterija ima sve potrebne hemijske elemente u sebi i pretvara te supstance u električnu energiju. To znači da se baterija na kraju isprazni i da je ili bacite ili ponovo punite.

U gorivu ćeliju, hemikalije se neprestano unose u nju tako da nikada ne "umre". Električna energija će se proizvoditi sve dok hemikalije uđu u element. Većina gorivnih ćelija koje se danas koriste koriste vodonik i kiseonik.

Vodonik je najzastupljeniji element u našoj galaksiji. Međutim, vodonik praktično ne postoji na Zemlji u svom elementarnom obliku. Inženjeri i naučnici moraju izdvojiti čisti vodonik iz jedinjenja vodonika, uključujući fosilna goriva ili vodu. Da biste izdvojili vodonik iz ovih spojeva, potrebno je potrošiti energiju u obliku topline ili električne energije.

Izum gorivih ćelija

Sir William Grove izumio je prvu gorivnu ćeliju 1839. Grove je znao da se voda može podijeliti na vodonik i kisik propuštanjem električne struje kroz nju (proces tzv elektroliza). Predložio je da bi obrnutim redoslijedom bilo moguće dobiti struju i vodu. Stvorio je primitivnu gorivnu ćeliju i nazvao je gas galvanski akumulator. Nakon eksperimentiranja sa svojim novim izumom, Grove je dokazao svoju hipotezu. Pedeset godina kasnije, naučnici Ludwig Mond i Charles Langer skovali su termin gorivne ćelije kada pokušavamo izgraditi praktičan model za proizvodnju električne energije.

Goriva ćelija će se takmičiti sa mnogim drugim uređajima za konverziju energije, uključujući gasne turbine u gradskim elektranama, motore sa unutrašnjim sagorevanjem u automobilima i sve vrste baterija. Motori sa unutrašnjim sagorevanjem, poput gasnih turbina, sagorevaju različite vrste goriva i koriste pritisak koji nastaje ekspanzijom gasova za obavljanje mehaničkog rada. Baterije pretvaraju hemijsku energiju u električnu energiju kada je to potrebno. Gorivne ćelije moraju efikasnije obavljati ove zadatke.

Gorivna ćelija daje DC (jednosmjernu struju) napon koji se može koristiti za napajanje električnih motora, svjetala i drugih električnih uređaja.

Postoji nekoliko različitih tipova gorivnih ćelija, od kojih svaka koristi različite hemijske procese. Gorivne ćelije se obično klasifikuju prema njihovoj Radna temperatura I tipelektrolit, koje koriste. Neke vrste gorivnih ćelija su pogodne za upotrebu u stacionarnim elektranama. Drugi mogu biti korisni za male prijenosne uređaje ili za napajanje automobila. Glavne vrste gorivnih ćelija uključuju:

Gorivna ćelija s polimernom izmjenjivačkom membranom (PEMFC)

PEMFC se smatra najvjerovatnijim kandidatom za transportne aplikacije. PEMFC ima i veliku snagu i relativno nisku radnu temperaturu (u rasponu od 60 do 80 stepeni Celzijusa). Niske radne temperature znače da se gorivne ćelije mogu brzo zagrijati da počnu proizvoditi električnu energiju.

Čvrsta oksidna gorivna ćelija (SOFC)

Ove gorivne ćelije su najprikladnije za velike stacionarne generatore koji mogu napajati fabrike ili gradove. Ova vrsta gorivih ćelija radi na veoma visokim temperaturama (700 do 1000 stepeni Celzijusa). Visoka temperatura predstavlja problem pouzdanosti jer neke gorivne ćelije mogu otkazati nakon nekoliko ciklusa uključivanja i isključivanja. Međutim, gorivne ćelije čvrstog oksida su vrlo stabilne tokom kontinuiranog rada. U stvari, SOFC-i su pokazali najduži radni vijek od bilo koje gorivne ćelije pod određenim uvjetima. Visoka temperatura također ima prednost u tome što se para koju proizvode gorivne ćelije može poslati u turbine i proizvesti više električne energije. Ovaj proces se zove kogeneracija toplotne i električne energije i poboljšava ukupnu efikasnost sistema.

Alkalna gorivna ćelija (AFC)

To je jedan od najstarijih dizajna gorivnih ćelija, koji se koristi od 1960-ih. AFC su vrlo osjetljivi na kontaminaciju jer zahtijevaju čisti vodonik i kisik. Osim toga, vrlo su skupi, pa je malo vjerovatno da će ova vrsta gorivih ćelija biti puštena u masovnu proizvodnju.

Goriva ćelija od rastopljenog karbonata (MCFC)

Poput SOFC-a, ove gorivne ćelije su također najprikladnije za velike stacionarne elektrane i generatore. Rade na 600 stepeni Celzijusa tako da mogu generirati paru, koja se zauzvrat može koristiti za generiranje još više energije. Imaju nižu radnu temperaturu od gorivih ćelija sa čvrstim oksidom, što znači da im nisu potrebni materijali otporni na toplotu. To ih čini malo jeftinijim.

Goriva ćelija fosforne kiseline (PAFC)

Goriva ćelija fosforne kiseline ima potencijal za upotrebu u malim stacionarnim elektroenergetskim sistemima. Radi na višoj temperaturi od gorivne ćelije s membranom za izmjenu polimera, pa joj je potrebno duže da se zagrije, što ga čini neprikladnim za upotrebu u automobilima.

Goriva ćelija direktnog metanola (DMFC)

Metanolne gorive ćelije su uporedive sa PEMFC u smislu radne temperature, ali nisu tako efikasne. Dodatno, DMFC-i zahtijevaju prilično veliku količinu platine kao katalizator, što ove gorivne ćelije čini skupim.

Gorivna ćelija sa polimernom izmenjivačkom membranom

Goriva ćelija sa membranom za izmjenu polimera (PEMFC) jedna je od tehnologija gorivnih ćelija koje najviše obećavaju. PEMFC koristi jednu od najjednostavnijih reakcija bilo koje gorivne ćelije. Pogledajmo od čega se sastoji.

1. A čvor – negativni terminal gorivne ćelije. On provodi elektrone koji se oslobađaju iz molekula vodika, nakon čega se mogu koristiti u vanjskom kolu. Ima ugravirane kanale kroz koje se vodonik ravnomjerno raspoređuje po površini katalizatora.

2.TO athode - pozitivni terminal gorivne ćelije, također ima kanale za distribuciju kisika po površini katalizatora. Također provodi elektrone nazad iz vanjskog kruga katalizatora, gdje se mogu kombinirati s ionima vodonika i kisika kako bi formirali vodu.

3.Membrana za izmjenu elektrolita i protona. Ovo je posebno obrađen materijal koji provodi samo pozitivno nabijene ione i blokira elektrone. Sa PEMFC, membrana mora biti hidratizirana kako bi pravilno funkcionirala i ostala stabilna.

4. Katalizator je poseban materijal koji potiče reakciju kisika i vodika. Obično se pravi od nanočestica platine nanešenih vrlo tanko na karbonski papir ili tkaninu. Katalizator ima površinsku strukturu tako da maksimalna površina platine može biti izložena vodiku ili kiseoniku.

Na slici je prikazan gas vodonik (H2) koji ulazi u gorivu ćeliju pod pritiskom sa anodne strane. Kada molekul H2 dođe u kontakt s platinom na katalizatoru, on se dijeli na dva H+ jona i dva elektrona. Elektroni prolaze kroz anodu, gdje se koriste u vanjskim krugovima (obavljaju koristan rad, kao što je okretanje motora), i vraćaju se na katodnu stranu gorivne ćelije.

U međuvremenu, na katodnoj strani gorivne ćelije, kisik (O2) iz zraka prolazi kroz katalizator gdje formira dva atoma kisika. Svaki od ovih atoma ima snažan negativni naboj. Ovaj negativni naboj privlači dva H+ jona preko membrane, gdje se oni spajaju s atomom kisika i dva elektrona koji dolaze iz vanjskog kola kako bi formirali molekul vode (H2O).

Ova reakcija u jednoj gorivnoj ćeliji proizvodi samo oko 0,7 volti. Da bi se napon podigao na razuman nivo, mnoge pojedinačne gorivne ćelije moraju se kombinovati da bi se formirao snop gorivih ćelija. Bipolarne ploče se koriste za povezivanje jedne gorivne ćelije s drugom i podvrgnute oksidaciji kako bi se smanjio potencijal. Veliki problem kod bipolarnih ploča je njihova stabilnost. Metalne bipolarne ploče mogu biti korodirane, a nusprodukti (joni željeza i hroma) smanjuju efikasnost membrana i elektroda gorivih ćelija. Stoga, niskotemperaturne gorivne ćelije koriste lake metale, grafit i kompozite ugljika i termoseta (termoset je vrsta plastike koja ostaje čvrsta čak i kada je izložena visokim temperaturama) u obliku bipolarnog lisnog materijala.

Efikasnost gorivih ćelija

Smanjenje zagađenja jedan je od glavnih ciljeva gorivih ćelija. Upoređujući automobil koji pokreće gorivna ćelija sa automobilom koji pokreće benzinski motor i automobilom na baterije, možete vidjeti kako gorivne ćelije mogu poboljšati efikasnost automobila.

Budući da sva tri tipa automobila imaju mnogo istih komponenti, zanemarićemo ovaj dio automobila i uporediti korisne radnje do tačke u kojoj se proizvodi mehanička energija. Počnimo s automobilom na gorive ćelije.

Ako se gorivna ćelija napaja čistim vodonikom, njena efikasnost može biti i do 80 posto. Tako pretvara 80 posto energetskog sadržaja vodonika u električnu energiju. Međutim, još uvijek moramo pretvoriti električnu energiju u mehanički rad. To se postiže elektromotorom i inverterom. Učinkovitost motor + inverter je također oko 80 posto. Ovo daje ukupnu efikasnost od približno 80*80/100=64 posto. Hondino konceptno vozilo FCX navodno ima 60 posto energetske efikasnosti.

Ako izvor goriva nije u obliku čistog vodonika, tada će vozilu također biti potreban reformer. Reformatori pretvaraju ugljovodonična ili alkoholna goriva u vodonik. Oni stvaraju toplinu i proizvode CO i CO2 pored vodika. Koriste različite uređaje za prečišćavanje nastalog vodonika, ali ovo pročišćavanje je nedovoljno i smanjuje efikasnost gorivne ćelije. Stoga su istraživači odlučili da se fokusiraju na gorivne ćelije za vozila sa pogonom na čisti vodonik, uprkos izazovima povezanim sa proizvodnjom i skladištenjem vodonika.

Učinkovitost benzinskog motora i akumulatorskog električnog automobila

Efikasnost automobila koji pokreće benzin je iznenađujuće niska. Sva toplota koju radijator troši ili apsorbuje je izgubljena energija. Motor također koristi mnogo snage za pogon raznih pumpi, ventilatora i generatora koji ga održavaju u radu. Dakle, ukupna efikasnost benzinskog automobilskog motora iznosi približno 20 posto. Tako se samo oko 20 posto sadržaja toplinske energije u benzinu pretvara u mehanički rad.

Električno vozilo na baterije ima prilično visoku efikasnost. Baterija je približno 90 posto efikasna (većina baterija proizvodi malo topline ili zahtijeva grijanje), a motor + inverter je otprilike 80 posto efikasan. Ovo daje ukupnu efikasnost od približno 72 posto.

Ali to nije sve. Da bi se električni automobil mogao kretati, električna energija se prvo mora negdje proizvesti. Ako se radilo o elektrani koja je koristila proces sagorijevanja fosilnih goriva (a ne nuklearnu, hidroelektričnu, solarnu ili energiju vjetra), tada je samo približno 40 posto goriva koje je elektrana potrošila pretvoreno u električnu energiju. Osim toga, proces punjenja automobila zahtijeva pretvaranje naizmjenične struje (AC) u istosmjernu (DC) snagu. Ovaj proces ima efikasnost od približno 90 posto.

Sada, ako pogledamo cijeli ciklus, efikasnost električnog vozila je 72 posto za samo vozilo, 40 posto za elektranu i 90 posto za punjenje vozila. Ovo daje ukupnu efikasnost od 26 posto. Ukupna efikasnost značajno varira u zavisnosti od toga koja se elektrana koristi za punjenje baterije. Na primjer, ako električnu energiju automobila proizvodi hidroelektrana, efikasnost električnog automobila bit će približno 65 posto.

Naučnici istražuju i poboljšavaju dizajn kako bi nastavili poboljšavati efikasnost gorivnih ćelija. Jedan novi pristup bio bi kombinovanje vozila na gorivne ćelije i vozila na baterije. Razvija se konceptno vozilo koje pokreće hibridni pogonski sklop koji pokreće gorivna ćelija. Koristi litijumsku bateriju za napajanje automobila dok gorivna ćelija puni bateriju.

Vozila na gorive ćelije su potencijalno efikasna kao automobil na baterije koji se puni iz elektrane koja ne koristi fosilna goriva. Ali postizanje ovog potencijala na praktičan i pristupačan način može biti teško.

Zašto koristiti gorive ćelije?

Glavni razlog je sve što se tiče nafte. Amerika mora uvoziti skoro 60 posto svoje nafte. Očekuje se da će do 2025. godine uvoz porasti na 68%. Amerikanci dnevno koriste dvije trećine nafte za transport. Čak i kada bi svaki automobil na ulici bio hibridni automobil, do 2025. SAD bi i dalje morale koristiti istu količinu nafte koju su Amerikanci trošili 2000. godine. U stvari, Amerika troši četvrtinu sve svjetske nafte, iako samo 4,6% svjetske populacije živi ovdje.

Stručnjaci očekuju da će cijene nafte nastaviti rasti u narednih nekoliko decenija kako se jeftiniji izvori smanjuju. Naftne kompanije moraju razvijati naftna polja u sve težim uslovima, što će povećati cijene nafte.

Zabrinutost se proteže daleko izvan ekonomske sigurnosti. Mnogo novca od prodaje nafte troši se na podršku međunarodnom terorizmu, radikalnim političkim partijama i nestabilnoj situaciji u naftnim regijama.

Upotreba nafte i drugih fosilnih goriva za energiju proizvodi zagađenje. Najbolje je za svakoga pronaći alternativu sagorijevanju fosilnih goriva za energiju.

Gorivne ćelije su atraktivna alternativa ovisnosti o ulju. Umjesto da zagađuju, gorivne ćelije proizvode čistu vodu kao nusproizvod. Dok su se inženjeri privremeno fokusirali na proizvodnju vodika iz različitih fosilnih izvora kao što su benzin ili prirodni plin, istražuju se obnovljivi, ekološki prihvatljivi načini za proizvodnju vodika u budućnosti. Najperspektivniji će, naravno, biti proces proizvodnje vodika iz vode

Ovisnost o nafti i globalno zagrijavanje su međunarodni problem. Nekoliko zemalja je zajedno uključeno u promicanje istraživanja i razvoja tehnologije gorivnih ćelija.

Jasno je da naučnici i proizvođači imaju puno posla prije nego što gorive ćelije postanu alternativa modernim metodama proizvodnje energije. Ipak, uz podršku širom svijeta i globalnu saradnju, održiv sistem napajanja gorivnim ćelijama mogao bi postati stvarnost za samo nekoliko decenija.