Brandstofcel voor waterstofenergie. Brandstofcellen gebruiken om gebouwen van stroom te voorzien

Ergens in de toekomst, aan het begin van onze eeuw, kan worden gezegd dat de stijgende olieprijzen en de zorg voor het milieu hebben geleid tot een forse verruiming van de horizon van autofabrikanten en hen hebben gedwongen om steeds meer nieuwe soorten brandstoffen te ontwikkelen en te introduceren en motoren.

Een van deze brandstoffen wordt waterstof genoemd. Zoals u weet, wordt water verkregen wanneer waterstof en zuurstof worden gecombineerd, wat betekent dat als u dit proces aan de basis van een automotor plaatst, de uitlaat geen mengsel van gevaarlijke gassen en chemische elementen zal zijn, maar gewoon water.

Ondanks enkele technische problemen in verband met het gebruik van waterstofbrandstofcellen (FC's), geven autofabrikanten niet op en ontwikkelen ze hun nieuwe modellen al met waterstof als brandstof. Op de Frankfurt Motor Show 2011, een van de vlaggenschepen van de auto-industrie, onthulde Daimler AG verschillende prototypes van Mercedes-Benz op waterstof aan het publiek. In hetzelfde jaar kondigde het Koreaanse Hyndai aan dat het de ontwikkeling van elektrische voertuigen zou staken en zich zou concentreren op het ontwikkelen van voertuigen die brandstofcellen op waterstof zouden gebruiken.

Ondanks deze actieve ontwikkeling hebben niet veel mensen een duidelijk beeld van wat deze waterstofbrandstofcellen precies zijn en wat ze in zich hebben.

Om de situatie te verduidelijken, gaan we naar de geschiedenis van waterstofbrandstofcellen.

De eerste die theoretisch de mogelijkheid beschreef om een waterstofbrandstofcel te maken, was de Duitser Christian Friedrich Schönbein. In 1838 beschreef hij het principe in een van de wetenschappelijke tijdschriften van die tijd.

Een jaar later. In 1939 creëerde en demonstreerde een rechter uit Wales, Sir William Robert Grove, een praktisch werkende waterstofbatterij. Maar de lading die door de batterij werd geproduceerd, was niet genoeg om de uitvinding op grote schaal te gebruiken.

De term "brandstofcel" werd voor het eerst gebruikt in 1889 door de onderzoekers Ludwig Mond en Charles Langer, die probeerden een werkende brandstofcel te maken met behulp van lucht en cokesovengas. Volgens een andere versie was William White Jaques de eerste die de term "brandstofcel" gebruikte. Hij was ook de eerste die fosforzuur gebruikte in een elektrolytbad.

In de jaren 1920 opende onderzoek in Duitsland manieren om de carbonaatcyclus en vaste oxidebrandstofcellen die nu in gebruik zijn, te gebruiken.

In 1932 begon ingenieur Francis T Bacon zijn onderzoek naar waterstofbrandstofcellen. Voor hem gebruikten onderzoekers poreuze platina-elektroden en zwavelzuur in een elektrolytbad. Platina maakte de productie erg duur en zwavelzuur zorgde voor extra problemen vanwege de bijtende werking. Bacon verving het dure platina door nikkel en zwavelzuur door een minder corrosieve alkalische elektrolyt.

Bacon was voortdurend bezig met het verbeteren van zijn ontwerp en kon in 1959 een 5 kilowatt brandstofcel aan het publiek presenteren die een lasmachine van stroom kon voorzien. De onderzoeker noemde zijn TE "Bacon Cell".

In oktober 1959 demonstreerde Harry Karl Ihrig een tractor met 20 pk, die het eerste voertuig ter wereld werd dat werd aangedreven door een brandstofcel.

In de jaren zestig gebruikte het Amerikaanse General Electric het Bacon-brandstofcelprincipe en ontwikkelde een stroomopwekkingssysteem voor de ruimteprogramma's Gemini en Apollo van NASA. NASA berekende dat het gebruik van een kernreactor te duur zou zijn en dat conventionele batterijen of zonnepanelen te veel ruimte nodig hadden. Bovendien zouden waterstofbrandstofcellen het schip tegelijkertijd van elektriciteit en de bemanning van water kunnen voorzien.

De eerste waterstofbus werd gebouwd in 1993. In 1997 presenteerden autofabrikanten Daimler Benz en Toyota hun prototypes voor personenauto's.

- facepl.net -

Opmerkingen:

En ze vergaten te zeggen over het werk aan TE in de USSR, toch?

wanneer elektriciteit wordt ontvangen, zal water worden gevormd. en hoe meer de eerste, hoe meer het is. En laten we ons nu eens voorstellen hoe snel de druppeltjes alle brandstofcellen en gaskanalen zullen verstoppen - H2, O2 En hoe zal deze generator werken bij temperaturen onder het vriespunt?

stel je voor om tientallen tonnen steenkool te verbranden, tonnen roet in de atmosfeer te gooien om waterstof te krijgen, om een paar ampère stroom te krijgen voor de nieuwerwetse dissel?!
Waar is de economie met de ecologie?!

Hier is het - het bot van het denken!
Waarom tonen van steenkool verbranden? We leven in de 21e eeuw en er zijn al technologieën waarmee we energie kunnen verkrijgen zonder ook maar iets te verbranden. Het blijft alleen om deze energie vakkundig te accumuleren voor gemakkelijk verder gebruik.

Ondernemer Danila Shaposhnikov vertelt dat hij zich ertoe heeft verbonden het product vanuit het laboratorium op de markt te brengen. Startup AT Energy maakt waterstofbrandstofcellen waarmee drones vele malen langer kunnen vliegen dan nu.

Ondernemer Danila Shaposhnikov helpt wetenschappers Yuri Dobrovolsky en Sergei Nefedkin om hun uitvinding te commercialiseren: compacte waterstofbrandstofcellen die enkele uren kunnen werken zonder angst voor vorst en vocht. Het door hen opgerichte AT Energy-bedrijf heeft al ongeveer 100 miljoen roebel aangetrokken. investeringen en bereidt zich voor om de wereldmarkt te veroveren voor onbemande luchtvaartuigen ter waarde van $ 7 miljard, die tot nu toe voornamelijk lithium-ionbatterijen gebruiken.

Van laboratorium naar markt

Het bedrijf begon toen Shaposhnikov twee doctoren in de wetenschappen ontmoette op het gebied van energie en elektrochemie - Dobrovolsky van het Institute of Problems of Chemical Physics van de Russian Academy of Sciences in Chernogolovka en Nefedkin, die aan het hoofd staat van het Center for Hydrogen Energy aan de Moscow Power Engineering Instituut. De professoren hadden een idee hoe ze brandstofcellen op lage temperatuur konden maken, maar ze begrepen niet hoe ze hun uitvinding op de markt konden brengen. "Ik trad op als een ondernemer-investeerder die het risico nam om het product vanuit het laboratorium op de markt te brengen", herinnert Shaposhnikov zich in een interview met RBC.

In augustus 2012 registreerden Shaposhnikov, Dobrovolsky en Nefedkin AT Energy (AT Energy LLC) en begonnen ze prototypes voor te bereiden. Het bedrijf solliciteerde en werd een inwoner van Skolkovo. Gedurende 2013 hebben de oprichters van AT Energy in de gehuurde basis van het instituut in Chernogolovka gewerkt aan een radicale verlenging van de levensduur van de brandstofcelbatterijen. "Tsjernogolovka is een wetenschapsstad, het is vrij gemakkelijk om er laboratoriumassistenten, ingenieurs en elektrochemici te vinden en in dienst te nemen", zegt Shaposhnikov. Daarna verhuisde AT Energy naar het Chernogolovskiy Technopark. Daar verscheen het eerste product: een brandstofcel voor drones.

Het "hart" van de door AT Energy ontwikkelde brandstofcel is de membraan-elektrode-eenheid, waarin een elektrochemische reactie plaatsvindt: enerzijds wordt lucht met zuurstof toegevoerd, anderzijds - gecomprimeerd waterstofgas, energie wordt opgewekt als een resultaat van de chemische reactie van waterstofoxidatie.

Voor een echt product kon AT Energy twee Skolkovo-beurzen ontvangen (voor een bedrag van bijna 47 miljoen roebel) en ongeveer $ 1 miljoen aan investeringen aantrekken. Het project werd vertrouwd door het North Energy Ventures-fonds (ontving 13,8% van AT Energy, zijn partner is Shaposhnikov zelf), het Phystech Ventures-venturefonds (13,8%), opgericht door afgestudeerden van het Moscow Institute of Physics and Technology, en de ontwikkelaar Morton (10%); Shaposhnikov en Dobrovolsky bezitten nu elk 26,7% van AT Energy en Nefedkin - 9% (allemaal - volgens het Unified State Register of Legal Entities).

AT Energie in cijfers
ongeveer 1 RUB 00 miljoen- het totale bedrag aan aangetrokken investeringen
3-30 kg- de massa drones waarvoor AT Energy energiesystemen maakt
$ 7 miljard per jaar - het volume van de wereldwijde dronemarkt in 2015
$ 90 miljoen- het volume van de Russische markt voor militaire drones in 2014
$ 5 miljoen- het volume van de Russische markt voor civiele drones in 2014
$ 2,6 miljard- het volume van de wereldmarkt voor brandstofcellen in 2014
Bron: Bedrijfsgegevens, Business Insider, Markten & Markten

Vliegt langer, nog langer

Tegenwoordig gebruikt bijna 80% van 's werelds drones elektrische motoren die worden aangedreven door lithium-ion- of lithium-polymeerbatterijen. "Het grootste probleem met batterijen is dat ze qua grootte beperkt zijn. Als je twee keer zoveel energie wilt, plaats dan een andere batterij, en nog een, enz. En in drones is de belangrijkste parameter de massa ", legt Shaposhnikov uit.

Het gewicht van de drone bepaalt het laadvermogen - het aantal apparaten dat eraan kan worden gehangen (bijvoorbeeld camera's, warmtebeeldcamera's, scanapparaten, enz.), Evenals de vliegtijd. Tegenwoordig vliegen drones meestal van een half uur tot anderhalf uur. "Een half uur lang is het niet interessant", zegt Shaposhnikov. - Het blijkt dat zodra je hem in de lucht hebt getild, het tijd is om de batterij te vervangen. Bovendien gedragen lithium-ionbatterijen zich grillig bij temperaturen onder het vriespunt. Shaposhnikov beweert dat de bij AT Energy ontwikkelde brandstofcellen ervoor zorgen dat drones tot vijf keer langer kunnen vliegen: van twee en een half tot vier uur, en ze zijn niet bang voor vorst (tot min 20 graden).

AT Energy koopt verbruiksartikelen en componenten voor zijn batterijen in zowel Rusland als in het buitenland. "Voor wetenschappelijke ontwikkelingen zijn kleine batches bedoeld, dus we kunnen potentiële Russische fabrikanten van de componenten die we nodig hebben nog geen planningshorizon geven zodat ze hun productie kunnen lokaliseren", legt Shaposhnikov uit.

In 2014 vervulde AT Energy zijn eerste contracten: het leverde 20 batterijsystemen op basis van zijn brandstofcellen aan het leger (Shaposhnikov noemt de klant niet). Ze werden ook gebruikt om drones van AFM-Servers uit te rusten, die ze gebruikten bij het filmen van de Olympische Spelen in Sochi. "Een van de doelen van het bedrijf was om onze systemen op drones te testen, en het kon ons niet schelen of we ervoor betaald werden of niet", herinnert Shaposhnikov zich. Tot op heden heeft AT Energy een aantal contracten en precontracten ondertekend, waarvan de potentiële inkomsten volgens Shaposhnikov 100 miljoen roebel bedragen. (voornamelijk met overheidsinstanties).

Shaposhnikov maakt de financiële resultaten van AT Energy niet bekend. Volgens Kontur.Fokus had het bedrijf in 2014 een omzet van 12,4 miljoen roebel. en een nettoverlies van RUB 1,2 miljoen. De kosten van brandstofcellen met een capaciteit tot 0,5 kW geproduceerd door AT Energy schommelen volgens Shaposhnikov in het bereik van $ 10-25 duizend, afhankelijk van het type drone, de taken waarmee het wordt geconfronteerd, de duur van de vlucht en andere parameters.

Volgens Shaposhnikov zal de devaluatie van de roebel het voor het bedrijf gemakkelijker maken om de wereldmarkt te betreden. “We hebben ons in 2016 als doel gesteld om relaties aan te gaan met westerse spelers en in 2017 om de eerste producten te maken voor de belangrijkste soorten buitenlandse drones”, zegt hij.

INVESTEERDER

"AT Energy is erin geslaagd een brandstofcel te creëren met unieke eigenschappen"

Oleg Pertsovsky, Operationeel Directeur, Energy Efficient Technologies Cluster, Skolkovo Foundation

“Ze waren in staat om een apparaat te maken dat werkt bij lage temperaturen, terwijl het toch vrij compact en goedkoop is. Voor wetenschapsintensieve projecten is vier jaar een korte periode, dus die gaan naar onze mening in een normaal tempo. UAV's zijn een van de meest voor de hand liggende en veelbelovende gebieden voor brandstofceltoepassingen. Door de stroombron te vervangen, kan de drone de vliegtijd meerdere keren verlengen met dezelfde massa-dimensionale kenmerken. Er is ook een markt voor autonome stroomvoorziening, bijvoorbeeld voor mobiele netwerken, waar grote behoefte is aan energiezuinige stroomvoorzieningen in afgelegen gebieden waar elektrische netwerken niet zijn aangesloten."

"Het creëren van een concurrerend product en het betreden van deze markt brengt aanzienlijke investeringsrisico's met zich mee"

Sergey Filimonov, hoofd van het corporate venture-fonds GS Venture (onderdeel van de GS Group)

“De markt voor brandstofcellen met hoge capaciteit is veel breder en complexer dan de onbemande vliegtuigindustrie. Maar brandstofcellen zullen moeten concurreren met een reeks bestaande energiebronnen, zowel qua efficiëntie als qua kosten. Het creëren van een concurrerend product en het betreden van deze markt brengt aanzienlijke investeringsrisico's met zich mee. Voor GS Venture zijn de UAV- en brandstofcellijnen best interessant, maar het fonds is niet bereid te investeren in een startup alleen omdat dit bedrijf in een ontwikkelingsgebied opereert en zich richt op een actief groeiende markt.

KLANTEN

"Dit is de beste technologie op de markt, maar te duur."

Oleg Panfilenok, oprichter en CEO van Copter Express

“AT Energy heeft een zeer sterke technologie. De combinatie "brandstofcel plus een waterstofcilinder" stelt u in staat een zelfverzekerde energie-intensiteit te bereiken, aanzienlijk hoger dan in lithium-polymeer- of lithium-ionbatterijen. We hebben al een mapping-drone ontworpen, met een diameter van ongeveer 1 meter, om over een groot gebied te vliegen - als je er waterstofbrandstofcellen op plaatst, zal hij tot vier uur vliegen. Het zou handig en effectief zijn, het zou niet nodig zijn om het apparaat meerdere keren te laten landen om op te laden.

Op dit moment is dit absoluut de beste technologie op de markt, maar er is één probleem: het is te duur voor ons. Eén batterij van AT Energy kan ongeveer 500 duizend roebel kosten. - een orde van grootte hoger dan een lithium-polymeer batterij. Ja, het is anderhalf keer goedkoper dan buitenlandse tegenhangers, maar we hebben er tien nodig. We zijn geen militairen met een budget, we zijn een commercieel bedrijf en zijn niet bereid veel geld te betalen. Dit is voor het leger dat de kenmerken van de drone belangrijker zijn dan de kosten, maar voor de commercie is het juist beter om het erger te laten zijn, maar goedkoper."

"De vliegtijd van de drone is de belangrijkste factor voor veel taken."

Maxim Shinkevich, algemeen directeur van de Unmanned Systems Group of Companies

“We kennen AT Energy heel goed en hebben een samenwerkingsovereenkomst met hen getekend. We hebben onlangs de ontwikkeling afgerond van een nieuwe oversized multicopter met een laadvermogen van maximaal 2 kg, die wordt aangedreven door brandstofcellen van AT Energy en die 2,5 tot 4 uur zal vliegen. Op lithiumbatterijen zou zo'n drone maar 30 minuten vliegen. Deze drone kan zowel voor civiele als militaire doeleinden worden gebruikt - het is een videobewakingscomplex voor het zoeken en redden van mensen, we zijn al klaar om het in serie te lanceren. We hebben er al de eerste civiele klant voor, zodra we hem in actie laten zien, verschijnen er andere contracten.

Een van de grootste problemen bij het massale gebruik van brandstofcellen is het ontbreken van een netwerk van laadstations. Ze zijn duurder dan batterijen (daardoor stijgen de kosten van een drone met hun gebruik met 15%), maar in ruil daarvoor krijg je meer dan twee keer een langere vluchtduur. De vliegtijd van de drone is voor veel taken de belangrijkste factor."

Natalia Suvorova

Ecologie van cognitie Wetenschap en technologie: Waterstofenergie is een van de meest efficiënte industrieën, en brandstofcellen houden het in de voorhoede van innovatieve technologieën.

Een brandstofcel is een apparaat dat door middel van een elektrochemische reactie op efficiënte wijze gelijkstroom en warmte opwekt uit waterstofrijke brandstof.

Een brandstofcel is vergelijkbaar met een batterij omdat deze door een chemische reactie gelijkstroom genereert. Nogmaals, net als een batterij bevat een brandstofcel een anode, een kathode en een elektrolyt. In tegenstelling tot batterijen kunnen brandstofcellen echter geen elektrische energie opslaan, ontladen ze niet en hebben ze geen elektriciteit nodig om op te laden. Brandstofcellen kunnen continu elektriciteit opwekken zolang ze brandstof en lucht hebben. De juiste term om een werkende brandstofcel te beschrijven is een celsysteem, aangezien sommige hulpsystemen nodig zijn om goed te kunnen functioneren.

In tegenstelling tot andere generatoren van elektriciteit, zoals verbrandingsmotoren of turbines die werken op gas, kolen, stookolie, enz., verbranden brandstofcellen geen brandstof. Dit betekent geen luidruchtige hogedrukrotoren, geen luid uitlaatgeluid, geen trillingen. Brandstofcellen wekken elektriciteit op via een stille elektrochemische reactie. Een ander kenmerk van brandstofcellen is dat ze de chemische energie van de brandstof direct omzetten in elektriciteit, warmte en water.

Brandstofcellen zijn zeer efficiënt en produceren geen grote hoeveelheden broeikasgassen zoals kooldioxide, methaan en stikstofmonoxide. De enige uitstoot van brandstofcellen is water in de vorm van stoom en een kleine hoeveelheid kooldioxide, die helemaal niet wordt uitgestoten als pure waterstof als brandstof wordt gebruikt. Brandstofcellen worden geassembleerd tot assemblages en vervolgens tot afzonderlijke functionele modules.

Hoe brandstofcellen werken

Brandstofcellen wekken elektriciteit en warmte op uit een elektrochemische reactie die plaatsvindt met behulp van een elektrolyt, kathode en anode.

De anode en kathode zijn gescheiden door een elektrolyt dat protonen geleidt. Nadat waterstof de anode binnenkomt en zuurstof de kathode, begint een chemische reactie, waardoor elektrische stroom, warmte en water worden gegenereerd. Op de anodekatalysator dissocieert moleculaire waterstof en verliest het elektronen. Waterstofionen (protonen) worden door de elektrolyt naar de kathode geleid, terwijl elektronen door de elektrolyt worden geleid en door een extern elektrisch circuit gaan, waardoor een gelijkstroom ontstaat die kan worden gebruikt om apparatuur van stroom te voorzien. Op de kathodekatalysator combineert een zuurstofmolecuul met een elektron (dat wordt geleverd door externe communicatie) en een binnenkomend proton, en vormt water, dat het enige reactieproduct is (in de vorm van damp en / of vloeistof).

Het volgende is de bijbehorende reactie:

Reactie aan de anode: 2H2 => 4H + + 4e-
Kathodereactie: O2 + 4H + + 4e- => 2H2O
Algemene reactie van het element: 2H2 + O2 => 2H2O

Typen brandstofcellen

Net als het bestaan van verschillende soorten interne verbrandingsmotoren, zijn er ook verschillende soorten brandstofcellen - de keuze van het juiste type brandstofcel hangt af van de toepassing.Brandstofcellen zijn onderverdeeld in hoge temperatuur en lage temperatuur. Lage temperatuur brandstofcellen hebben relatief zuivere waterstof als brandstof nodig.

Dit betekent vaak dat brandstofverwerking nodig is om de primaire brandstof (zoals aardgas) om te zetten in zuivere waterstof. Dit proces kost extra energie en vereist speciale apparatuur. Hogetemperatuurbrandstofcellen hebben deze aanvullende procedure niet nodig, omdat ze de brandstof bij hoge temperaturen 'intern kunnen omzetten', wat betekent dat er niet hoeft te worden geïnvesteerd in waterstofinfrastructuur.

Brandstofcellen op basis van gesmolten carbonaat (RKTE).

Gesmolten carbonaat elektrolyt brandstofcellen zijn hoge temperatuur brandstofcellen. Door de hoge bedrijfstemperatuur kan aardgas direct worden gebruikt zonder processorbrandstof en brandstofgas met een lage calorische waarde voor industriële processen en andere bronnen. Dit proces is halverwege de jaren zestig ontwikkeld. Sindsdien zijn de productietechnologie, prestaties en betrouwbaarheid verbeterd.

De werking van RKTE is anders dan die van andere brandstofcellen. Deze cellen gebruiken een elektrolyt uit een mengsel van gesmolten carbonaatzouten. Momenteel zijn er twee soorten mengsels in gebruik: lithiumcarbonaat en kaliumcarbonaat of lithiumcarbonaat en natriumcarbonaat. Om carbonaatzouten te smelten en een hoge mate van ionenmobiliteit in de elektrolyt te bereiken, werken brandstofcellen met gesmolten carbonaatelektrolyt bij hoge temperaturen (650 ° C). Het rendement varieert tussen 60-80%.

Bij verhitting tot 650 ° C worden zouten een geleider voor carbonaationen (CO32-). Deze ionen gaan van de kathode naar de anode, waar ze zich combineren met waterstof om water, koolstofdioxide en vrije elektronen te vormen. Deze elektronen worden via een extern elektrisch circuit terug naar de kathode geleid, waarbij elektrische stroom en warmte wordt gegenereerd als bijproduct.

Reactie aan de anode: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Kathodereactie: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-
Algemene reactie van het element: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (kathode) => H2O (g) + CO2 (anode)

De hoge bedrijfstemperaturen van gesmolten cahebben bepaalde voordelen. Bij hoge temperaturen wordt aardgas inwendig hervormd, waardoor een brandstofprocessor overbodig is. Bovendien omvatten de voordelen de mogelijkheid om standaard constructiematerialen te gebruiken, zoals roestvrijstalen plaat en een nikkelkatalysator op de elektroden. De restwarmte kan worden gebruikt om hogedrukstoom te genereren voor verschillende industriële en commerciële doeleinden.

Hoge reactietemperaturen in de elektrolyt hebben ook hun voordelen. Het gebruik van hoge temperaturen duurt lang om optimale bedrijfsomstandigheden te bereiken en het systeem reageert langzamer op veranderingen in het energieverbruik. Deze eigenschappen maken het gebruik van brandstofcelinstallaties met gesmolten carbonaatelektrolyt mogelijk onder constante stroomomstandigheden. Hoge temperaturen voorkomen schade door koolmonoxide aan de brandstofcel, "vergiftiging", etc.

Gesmolten carbonaat elektrolyt brandstofcellen zijn geschikt voor gebruik in grote stationaire installaties. Thermische centrales met een elektrisch uitgangsvermogen van 2,8 MW worden industrieel geproduceerd. Er worden installaties ontwikkeld met een uitgangsvermogen tot 100 MW.

Fosforzuur brandstofcellen (FCTE).

Fosforzuur (orthofosforzuur) brandstofcellen waren de eerste brandstofcellen voor commercieel gebruik. Dit proces is halverwege de jaren zestig ontwikkeld en sinds de jaren zeventig getest. Sindsdien is de stabiliteit verbeterd, zijn de prestaties verminderd en zijn de kosten verlaagd.

Brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor)zuur gebruiken een elektrolyt op basis van fosforzuur (H3PO4) met een concentratie tot 100%. De ionische geleidbaarheid van fosforzuur is laag bij lage temperaturen, daarom worden deze brandstofcellen gebruikt bij temperaturen tot 150-220 ° C.

De ladingsdrager in dit type brandstofcel is waterstof (H+, proton). Een soortgelijk proces vindt plaats in brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan (MOPTE), waarbij de aan de anode toegevoerde waterstof wordt gescheiden in protonen en elektronen. Protonen reizen door de elektrolyt en combineren met zuurstof uit de lucht bij de kathode om water te vormen. Elektronen worden door een extern elektrisch circuit geleid, waardoor een elektrische stroom wordt gegenereerd. Hieronder staan de reacties die elektriciteit en warmte opwekken.

Reactie aan de anode: 2H2 => 4H + + 4e-
Kathodereactie: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O
Algemene reactie van het element: 2H2 + O2 => 2H2O

Het rendement van brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor)zuur is meer dan 40% bij het opwekken van elektrische energie. Bij warmtekrachtkoppeling ligt het totale rendement rond de 85%. Bovendien kan de restwarmte, gezien de bedrijfstemperaturen, worden gebruikt om water te verwarmen en stoom te genereren bij atmosferische druk.

Het hoge rendement van warmtekrachtcentrales op brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor)zuur bij de gecombineerde productie van warmte en elektriciteit is een van de voordelen van dit type brandstofcellen. De planten gebruiken koolmonoxide met een concentratie van ongeveer 1,5%, wat de brandstofkeuze aanzienlijk vergroot. Daarnaast heeft CO2 geen invloed op het elektrolyt en de werking van de brandstofcel; dit type cel werkt met gereformeerde natuurlijke brandstof. Eenvoudig ontwerp, lage elektrolytvluchtigheid en verhoogde stabiliteit zijn ook voordelen van dit type brandstofcel.

Thermische centrales met een elektrisch uitgangsvermogen tot 400 kW worden industrieel geproduceerd. De eenheden van 11 MW zijn dienovereenkomstig getest. Er worden installaties ontwikkeld met een uitgangsvermogen tot 100 MW.

Membraan protonenuitwisseling brandstofcellen (MOPTE)

Membraanbrandstofcellen worden beschouwd als het beste type brandstofcel voor het opwekken van voertuigvermogen, dat benzine- en dieselverbrandingsmotoren kan vervangen. Deze brandstofcellen werden voor het eerst gebruikt door NASA voor het Gemini-programma. Tegenwoordig worden MOPTE-units met een vermogen van 1W tot 2 kW ontwikkeld en gedemonstreerd.

Deze brandstofcellen gebruiken een vast polymeermembraan (dunne plastic film) als elektrolyt. Wanneer geïmpregneerd met water, laat dit polymeer protonen door, maar geleidt het geen elektronen.

Reactie aan de anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Kathodereactie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Algemene reactie van het element: 2H2 + O2 => 2H2O

Vergeleken met andere typen brandstofcellen produceren brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan meer energie voor een bepaald volume of gewicht van de brandstofcel. Door deze functie zijn ze compact en licht van gewicht. Bovendien is de bedrijfstemperatuur lager dan 100 ° C, wat een snelle opstart van de werking mogelijk maakt. Deze kenmerken, evenals het vermogen om de energie-output snel te veranderen, zijn slechts enkele van de kenmerken die deze brandstofcellen tot een uitstekende kandidaat maken voor gebruik in voertuigen.

Een ander voordeel is dat de elektrolyt een vaste, geen vloeibare substantie is. Gassen bij de kathode en anode houden is gemakkelijker met een vast elektrolyt, en daarom zijn dergelijke brandstofcellen goedkoper te vervaardigen. Vergeleken met andere elektrolyten zijn er bij het gebruik van een vaste elektrolyt geen problemen als oriëntatie, zijn er minder problemen door het optreden van corrosie, wat leidt tot een langere levensduur van de cel en zijn componenten.

Vast oxide brandstofcellen (SOFC)

Vast oxide brandstofcellen zijn de brandstofcellen met de hoogste bedrijfstemperatuur. De bedrijfstemperatuur kan worden gevarieerd van 600 ° C tot 1000 ° C, waardoor verschillende soorten brandstof kunnen worden gebruikt zonder speciale voorbehandeling. Om deze hoge temperaturen aan te kunnen, is de gebruikte elektrolyt een dun, op keramiek gebaseerd vast metaaloxide, vaak een legering van yttrium en zirkonium, dat een geleider is van zuurstof (O2-) ionen. De technologie van het gebruik van vaste-oxidebrandstofcellen is sinds het einde van de jaren vijftig in ontwikkeling. en heeft twee configuraties: vlak en buisvormig.

Vaste elektrolyt zorgt voor een hermetisch afgesloten overgang van gas van de ene elektrode naar de andere, terwijl vloeibare elektrolyten zich in een poreus substraat bevinden. De ladingsdrager in dit type brandstofcel is een zuurstofion (O2-). Aan de kathode worden zuurstofmoleculen uit de lucht gescheiden in een zuurstofion en vier elektronen. Zuurstofionen gaan door de elektrolyt en combineren met waterstof om vier vrije elektronen te vormen. Elektronen worden door een extern elektrisch circuit geleid en genereren elektrische stroom en afvalwarmte.

Reactie aan de anode: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Kathodereactie: O2 + 4e- => 2O2-
Algemene reactie van het element: 2H2 + O2 => 2H2O

Het rendement van de opgewekte elektrische energie is het hoogst van alle brandstofcellen - ongeveer 60%. Bovendien maken de hoge bedrijfstemperaturen het mogelijk om door middel van warmtekrachtkoppeling hogedrukstoom te genereren. Door een hogetemperatuurbrandstofcel te combineren met een turbine, is het mogelijk om een hybride brandstofcel te creëren die de efficiëntie van de opwekking van elektriciteit tot 70% verhoogt.

Vast oxide brandstofcellen werken bij zeer hoge temperaturen (600 ° C - 1000 ° C), wat lang duurt om optimale bedrijfsomstandigheden te bereiken, en het systeem reageert langzamer op veranderingen in het energieverbruik. Bij dergelijke hoge bedrijfstemperaturen is er geen convertor nodig om waterstof uit de brandstof te winnen, waardoor de thermische krachtcentrale kan werken met relatief onreine brandstoffen die het gevolg zijn van de vergassing van steenkool of afvalgassen en dergelijke. Deze brandstofcel is ook uitstekend geschikt voor gebruik met hoog vermogen, inclusief industriële en grote centrale energiecentrales. Modules met een elektrisch uitgangsvermogen van 100 kW worden commercieel geproduceerd.

Directe methanol oxidatie brandstofcellen (POMTE)

De technologie van het gebruik van brandstofcellen met directe methanoloxidatie maakt een actieve ontwikkeling door. Het heeft zich met succes gevestigd op het gebied van het voeden van mobiele telefoons, laptops en het maken van draagbare stroombronnen. waar het toekomstige gebruik van deze elementen op gericht is.

Het ontwerp van brandstofcellen met directe methanoloxidatie is vergelijkbaar met brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan (MOPTE), d.w.z. als elektrolyt wordt een polymeer gebruikt en als ladingsdrager een waterstofion (proton). Vloeibare methanol (CH3OH) wordt echter geoxideerd in aanwezigheid van water aan de anode waarbij CO2, waterstofionen en elektronen vrijkomen, die door een extern elektrisch circuit worden geleid, waardoor een elektrische stroom wordt opgewekt. Waterstofionen passeren de elektrolyt en reageren met zuurstof uit de lucht en elektronen uit het externe circuit om water te vormen bij de anode.

Reactie aan de anode: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e-
Kathodereactie: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O
Algemene reactie van het element: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O

De ontwikkeling van deze brandstofcellen begon in het begin van de jaren negentig. Met de ontwikkeling van verbeterde katalysatoren en andere recente innovaties zijn de vermogensdichtheid en efficiëntie verhoogd tot 40%.

Deze elementen zijn getest in een temperatuurbereik van 50-120 ° C. Met hun lage bedrijfstemperaturen en het feit dat er geen converter nodig is, zijn brandstofcellen voor directe oxidatie met methanol de beste kandidaat voor toepassingen in zowel mobiele telefoons als andere consumentengoederen en automotoren. Het voordeel van dit type brandstofcel is de geringe omvang door het gebruik van vloeibare brandstof en het ontbreken van een converter.

Alkalische brandstofcellen (SHFC)

Alkalische brandstofcellen (ALFC's) zijn een van de meest bestudeerde technologieën die sinds het midden van de jaren zestig worden gebruikt. door NASA in de Apollo- en Space Shuttle-programma's. Aan boord van deze ruimteschepen produceren brandstofcellen elektriciteit en drinkwater. Alkalische brandstofcellen zijn een van de meest efficiënte elementen die worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, met een efficiëntie van energieopwekking tot 70%.

Alkalische brandstofcellen gebruiken een elektrolyt, dat wil zeggen een waterige oplossing van kaliumhydroxide in een poreuze gestabiliseerde matrix. De concentratie kaliumhydroxide kan variëren afhankelijk van de bedrijfstemperatuur van de brandstofcel, die varieert van 65 ° C tot 220 ° C. De ladingsdrager in SHFC is een hydroxylion (OH-), dat van de kathode naar de anode gaat, waar het reageert met waterstof, waarbij water en elektronen worden geproduceerd. Het water dat aan de anode wordt geproduceerd, gaat terug naar de kathode en genereert daar opnieuw hydroxylionen. Deze reeks reacties in de brandstofcel produceert elektriciteit en als bijproduct warmte:

Reactie aan de anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Kathodereactie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Algemene systeemreactie: 2H2 + O2 => 2H2O

Het voordeel van SHFC's is dat deze brandstofcellen het goedkoopst te vervaardigen zijn, aangezien de katalysator die op de elektroden nodig is, elk van de stoffen kan zijn die goedkoper zijn dan die welke als katalysator voor andere brandstofcellen worden gebruikt. Bovendien werken SCFC's bij een relatief lage temperatuur en zijn ze een van de meest efficiënte brandstofcellen - dergelijke eigenschappen kunnen dienovereenkomstig bijdragen aan de versnelling van de stroomopwekking en een hoge brandstofefficiëntie.

Een van de karakteristieke kenmerken van SHFC is de hoge gevoeligheid voor CO2, die in brandstof of lucht kan zitten. CO2 reageert met het elektrolyt, vergiftigt het snel en vermindert de efficiëntie van de brandstofcel aanzienlijk. Daarom is het gebruik van SHTE beperkt tot gesloten ruimtes, zoals ruimte- en onderwatervoertuigen, ze moeten werken op pure waterstof en zuurstof. Bovendien zijn moleculen zoals CO, H2O en CH4, die veilig zijn voor andere brandstofcellen, en zelfs brandstof voor sommige daarvan, schadelijk voor SHFC's.

Polymeer elektrolyt brandstofcellen (PETE)

In het geval van polymere elektrolyt-brandstofcellen bestaat het polymeermembraan uit polymeervezels met watergebieden waarin de geleidbaarheid van waterionen H2O+ (proton, rood) aan het watermolecuul is bevestigd. Watermoleculen vormen een probleem vanwege hun trage ionenuitwisseling. Daarom is zowel in de brandstof als bij de uitlaatelektroden een hoge waterconcentratie vereist, waardoor de bedrijfstemperatuur wordt beperkt tot 100 ° C.

Vaste zure brandstofcellen (TKTE)

Gewoonlijk is een vast-zuur-brandstofcel een sandwich waarin een zeer dunne laag vaste zuurverbinding tussen twee stevig samengedrukte elektroden is geklemd om een goed contact te garanderen. Bij verhitting verdampt de organische component en verlaat deze via de poriën in de elektroden, waardoor het vermogen van meerdere contacten tussen de brandstof (of zuurstof aan het andere uiteinde van de cellen), de elektrolyt en de elektroden behouden blijft.

Type brandstofcel	Werktemperatuur	Efficiëntie van stroomopwekking	Brandstoftype	Toepassingsgebied
RKTE	550-700 ° C	50-70%		Middelgrote en grote installaties
FKTE	100-220 ° C	35-40%	Zuivere waterstof	Grote installaties
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	Zuivere waterstof	Kleine installaties
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	De meeste koolwaterstofbrandstoffen	Kleine, middelgrote en grote installaties
POMTE	20-90 ° C	20-30%	Methanol	Draagbare installaties
SHTE	50-200 ° C	40-65%	Zuivere waterstof	Ruimteonderzoek
PETE	30-100 ° C	35-50%	Zuivere waterstof	Kleine installaties

Doe mee met

Brandstofcel Is een elektrochemisch apparaat vergelijkbaar met een galvanische cel, maar verschilt daarvan doordat er van buitenaf stoffen voor een elektrochemische reactie aan worden toegevoerd - in tegenstelling tot de beperkte hoeveelheid energie die is opgeslagen in een galvanische cel of batterij.

Rijst. 1. Sommige brandstofcellen

Brandstofcellen zetten de chemische energie van de brandstof om in elektriciteit, waardoor ineffectieve verbrandingsprocessen die gepaard gaan met grote verliezen worden omzeild. Door een chemische reactie zetten ze waterstof en zuurstof om in elektriciteit. Als gevolg van dit proces wordt water gevormd en komt er veel warmte vrij. Een brandstofcel lijkt erg op een batterij, die kan worden opgeladen en vervolgens kan worden opgebruikt met opgeslagen elektrische energie. De uitvinder van de brandstofcel wordt verondersteld William R. Grove te zijn, die hem in 1839 uitvond. In deze brandstofcel werd een zwavelzuuroplossing gebruikt als elektrolyt en waterstof als brandstof, die gecombineerd werd met zuurstof in een oxiderend medium. Tot voor kort werden brandstofcellen alleen gebruikt in laboratoria en op ruimtevaartuigen.

Rijst. 2.

Brandstofcellen hebben geen bewegende delen (tenminste in de cel zelf) en voldoen daarom niet aan de wet van Carnot. Dat wil zeggen, ze hebben een efficiëntie van meer dan 50% en zijn vooral effectief bij lage belastingen. Brandstofcelvoertuigen kunnen dus (en hebben zich al bewezen) zuiniger dan conventionele voertuigen onder reële rijomstandigheden.

De brandstofcel genereert een elektrische stroom met constante spanning die kan worden gebruikt om een elektromotor, verlichtingsarmaturen en andere elektrische systemen in een voertuig aan te drijven.

Er zijn verschillende soorten brandstofcellen die verschillen in de gebruikte chemische processen. Brandstofcellen worden meestal ingedeeld naar het type elektrolyt dat ze gebruiken.

Sommige soorten brandstofcellen zijn veelbelovend voor gebruik als energiecentrales voor energiecentrales, terwijl andere voor draagbare apparaten of voor het besturen van auto's zijn.

1. Alkalische brandstofcellen (SHFC)

Alkalische brandstofcel- dit is een van de allereerste ontwikkelde elementen. Alkalische brandstofcellen (ALFC) zijn een van de meest bestudeerde technologieën die sinds het midden van de jaren zestig door NASA worden gebruikt in de Apollo- en Space Shuttle-programma's. Aan boord van deze ruimteschepen produceren brandstofcellen elektriciteit en drinkwater.

Rijst. 3.

Alkalische brandstofcellen zijn een van de meest efficiënte elementen die worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, met een efficiëntie van energieopwekking tot 70%.

Reactie aan de anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Kathodereactie: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Algemene systeemreactie: 2H2 + O2 => 2H2O

Het voordeel van SHFC's is dat deze brandstofcellen het goedkoopst in productie zijn, aangezien de katalysator die op de elektroden nodig is, elk van de stoffen kan zijn die goedkoper zijn dan die welke als katalysator voor andere brandstofcellen worden gebruikt. Bovendien werken SCHE's bij een relatief lage temperatuur en behoren ze tot de meest efficiënte.

2. Brandstofcellen op basis van gesmolten carbonaat (RKTE)

Gesmolten carbonaat elektrolyt brandstofcellen zijn hoge temperatuur brandstofcellen. Door de hoge bedrijfstemperatuur kan aardgas direct worden gebruikt zonder processorbrandstof en brandstofgas met een lage calorische waarde voor industriële processen en andere bronnen. Dit proces werd ontwikkeld in het midden van de jaren 60 van de twintigste eeuw. Sindsdien zijn de productietechnologie, prestaties en betrouwbaarheid verbeterd.

Rijst. 4.

Bij verhitting tot 650 °C worden de zouten een geleider voor carbonaationen (CO32-). Deze ionen reizen van de kathode naar de anode, waar ze zich combineren met waterstof om water, koolstofdioxide en vrije elektronen te vormen. Deze elektronen worden via een extern elektrisch circuit terug naar de kathode geleid, waarbij elektrische stroom en warmte wordt gegenereerd als bijproduct.

Anodereactie: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Kathodereactie: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Algemene reactie van het element: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (kathode) => H2O (g) + CO2 (anode)

De hoge bedrijfstemperaturen van gesmolten cahebben bepaalde voordelen. Het voordeel is de mogelijkheid om standaard materialen te gebruiken (roestvrij staalplaat en nikkelkatalysator op de elektroden). De restwarmte kan worden gebruikt om hogedrukstoom op te wekken. Hoge reactietemperaturen in de elektrolyt hebben ook hun voordelen. Het gebruik van hoge temperaturen duurt lang om optimale bedrijfsomstandigheden te bereiken en het systeem reageert langzamer op veranderingen in het energieverbruik. Deze eigenschappen maken het gebruik van brandstofcelinstallaties met gesmolten carbonaatelektrolyt mogelijk onder constante stroomomstandigheden. Hoge temperaturen voorkomen schade door koolmonoxide aan de brandstofcel, "vergiftiging", etc.

3. Brandstofcellen op basis van fosforzuur (FCTE)

Brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor) zuur werden de eerste brandstofcellen voor commercieel gebruik. Dit proces is ontwikkeld in het midden van de jaren '60 van de twintigste eeuw, tests zijn uitgevoerd sinds de jaren '70 van de twintigste eeuw. Als gevolg hiervan zijn de stabiliteit en prestaties verbeterd en zijn de kosten verlaagd.

Rijst. 5.

Reactie aan de anode: 2H2 => 4H + + 4e

Kathodereactie: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O

Algemene reactie van het element: 2H2 + O2 => 2H2O

Het hoge rendement van warmtekrachtcentrales op brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor)zuur bij de gecombineerde productie van warmte en elektriciteit is een van de voordelen van dit type brandstofcellen. De planten gebruiken koolmonoxide met een concentratie van ongeveer 1,5%, wat de brandstofkeuze aanzienlijk vergroot. Eenvoudig ontwerp, lage elektrolytvluchtigheid en verhoogde stabiliteit zijn ook voordelen van dergelijke brandstofcellen.

Thermische centrales met een elektrisch uitgangsvermogen tot 400 kW worden industrieel geproduceerd. Installaties met een vermogen van 11 MW zijn hierop getest. Er worden installaties ontwikkeld met een uitgangsvermogen tot 100 MW.

4. Brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan (MOPTE)

Brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan worden beschouwd als het beste type brandstofcellen voor het opwekken van stroom voor voertuigen, die benzine- en dieselverbrandingsmotoren kunnen vervangen. Deze brandstofcellen werden voor het eerst gebruikt door NASA voor het Gemini-programma. Op MOPTE zijn installaties ontwikkeld en getoond met een vermogen van 1 W tot 2 kW.

Rijst. 6.

Het elektrolyt in deze brandstofcellen is een vast polymeermembraan (dunne plastic film). Wanneer geïmpregneerd met water, laat dit polymeer protonen door, maar geleidt het geen elektronen.

De brandstof is waterstof en de ladingsdrager is een waterstofion (proton). Aan de anode wordt een waterstofmolecuul gesplitst in een waterstofion (proton) en elektronen. Waterstofionen gaan door de elektrolyt naar de kathode, terwijl elektronen rond de buitenste cirkel bewegen en elektrische energie produceren. Zuurstof, die uit de lucht wordt gehaald, wordt naar de kathode gevoerd en combineert met elektronen en waterstofionen om water te vormen. Op de elektroden vinden de volgende reacties plaats: Reactie aan de anode: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reactie aan de kathode: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Totale celreactie: 2H2 + O2 => 2H2O In vergelijking met andere soorten brandstofcellen, brandstofcellen een protonenuitwisselingsmembraan produceert meer energie voor een bepaald volume of gewicht van een brandstofcel. Door deze functie zijn ze compact en licht van gewicht. Bovendien is de bedrijfstemperatuur lager dan 100 ° C, wat een snelle opstart van de werking mogelijk maakt. Deze kenmerken, evenals het vermogen om de energie-output snel te veranderen, zijn slechts enkele van de redenen waarom deze brandstofcellen een uitstekende kandidaat zijn voor gebruik in voertuigen.

Een ander voordeel is dat de elektrolyt vast is en niet vloeibaar. Met een vast elektrolyt zijn gassen gemakkelijker vast te houden aan de kathode en anode, waardoor dergelijke brandstofcellen goedkoper te vervaardigen zijn. Bij gebruik van een vaste elektrolyt zijn er geen problemen zoals oriëntatie en minder problemen door het optreden van corrosie, wat de levensduur van de cel en zijn componenten verlengt.

Rijst. 7.

5. Vast oxide brandstofcellen (SOFC)

Vast oxide brandstofcellen zijn de brandstofcellen met de hoogste bedrijfstemperatuur. De bedrijfstemperatuur kan worden gevarieerd van 600 ° C tot 1000 ° C, waardoor verschillende soorten brandstof kunnen worden gebruikt zonder speciale voorbehandeling. Om deze hoge temperaturen aan te kunnen, is de gebruikte elektrolyt een dun, op keramiek gebaseerd vast metaaloxide, vaak een legering van yttrium en zirkonium, dat een geleider is van zuurstof (O2-) ionen. De technologie voor het gebruik van vaste-oxidebrandstofcellen is sinds het einde van de jaren vijftig in ontwikkeling en heeft twee configuraties: vlak en buisvormig.

Rijst. acht.

Reactie aan de anode: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Kathodereactie: O2 + 4e- => 2O2-

Algemene reactie van het element: 2H2 + O2 => 2H2O

De efficiëntie van de opwekking van elektrische energie is de hoogste van alle brandstofcellen - ongeveer 60%. Bovendien maken de hoge bedrijfstemperaturen het mogelijk om door middel van warmtekrachtkoppeling hogedrukstoom te genereren. Door een hogetemperatuurbrandstofcel te combineren met een turbine, is het mogelijk om een hybride brandstofcel te creëren die de efficiëntie van de opwekking van elektriciteit tot 70% verhoogt.

Vast oxide brandstofcellen werken bij zeer hoge temperaturen (600 ° C-1000 ° C), wat lang duurt om optimale bedrijfsomstandigheden te bereiken, en het systeem reageert langzamer op veranderingen in het energieverbruik. Bij dergelijke hoge bedrijfstemperaturen is er geen convertor nodig om waterstof uit de brandstof te winnen, waardoor de thermische krachtcentrale kan werken met relatief onreine brandstoffen die het gevolg zijn van de vergassing van steenkool of afvalgassen en dergelijke. Deze brandstofcel is ook uitstekend geschikt voor gebruik met hoog vermogen, inclusief industriële en grote centrale energiecentrales. Modules met een elektrisch uitgangsvermogen van 100 kW worden commercieel geproduceerd.

6. Brandstofcellen met directe methanoloxidatie (POMTE)

Brandstofcellen met directe methanoloxidatie Ze worden met succes gebruikt op het gebied van stroomvoorziening van mobiele telefoons, laptops en voor het maken van draagbare stroombronnen, waar het toekomstige gebruik van dergelijke elementen op gericht is.

Het ontwerp van brandstofcellen met directe methanoloxidatie is vergelijkbaar met het ontwerp van brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan (MOPTE), d.w.z. als elektrolyt wordt een polymeer gebruikt en als ladingsdrager een waterstofion (proton). Maar vloeibare methanol (CH3OH) wordt geoxideerd in aanwezigheid van water aan de anode met het vrijkomen van CO2, waterstofionen en elektronen, die langs een extern elektrisch circuit worden geleid, terwijl een elektrische stroom wordt gegenereerd. Waterstofionen passeren de elektrolyt en reageren met zuurstof uit de lucht en elektronen uit het externe circuit om water te vormen bij de anode.

Reactie aan de anode: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reactie aan de kathode: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Algemene reactie van het element: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O De de ontwikkeling van dergelijke brandstofcellen werd uitgevoerd vanaf het begin90-jaren van de twintigste eeuw, en hun vermogensdichtheid en efficiëntie werden verhoogd tot 40%.

Deze elementen zijn getest in een temperatuurbereik van 50-120 ° C. Vanwege de lage bedrijfstemperaturen en het ontbreken van een converter, zijn dergelijke brandstofcellen de beste kandidaat voor toepassingen in mobiele telefoons en andere consumptiegoederen, evenals in automotoren. Hun voordeel is ook het kleine formaat.

7. Polymeer elektrolyt brandstofcellen (PETE)

8. Vaste zure brandstofcellen (TKTE)

In vaste zure brandstofcellen bevat de elektrolyt (CsHSO4) geen water. De bedrijfstemperatuur is dus 100-300°C. Rotatie van oxyanionen SO42-laat protonen (rood) bewegen zoals weergegeven in de afbeelding. Gewoonlijk is een vast-zuur-brandstofcel een sandwich waarin een zeer dunne laag vaste zuurverbinding tussen twee stevig samengedrukte elektroden is geklemd om een goed contact te garanderen. Bij verhitting verdampt het organische bestanddeel en verlaat het via de poriën in de elektroden, waardoor het vermogen van meerdere contacten tussen de brandstof (of zuurstof aan het andere uiteinde van de cellen), elektrolyt en elektroden behouden blijft.

Rijst. negen.

9. Vergelijking van de belangrijkste kenmerken van brandstofcellen

Brandstofcelkenmerken

Type brandstofcel	Werktemperatuur	Efficiëntie van stroomopwekking	Brandstoftype	Toepassingsgebied
				Middelgrote en grote installaties
			Zuivere waterstof	installaties
			Zuivere waterstof	Kleine installaties
			De meeste koolwaterstofbrandstoffen	Kleine, middelgrote en grote installaties
				draagbaar installaties
			Zuivere waterstof	Ruimte onderzoeken
			Zuivere waterstof	Kleine installaties

Rijst. tien.

10. Gebruik van brandstofcellen in auto's

Rijst. elf.

Rijst. 12.

Voordelen van brandstofcellen / cellen

Een brandstofcel/cel is een apparaat dat door middel van een elektrochemische reactie op efficiënte wijze gelijkstroom en warmte opwekt uit een waterstofrijke brandstof.

Een brandstofcel is vergelijkbaar met een batterij omdat deze door een chemische reactie gelijkstroom genereert. De brandstofcel omvat een anode, een kathode en een elektrolyt. In tegenstelling tot batterijen kunnen brandstofcellen/cellen echter geen elektrische energie opslaan, ontladen ze niet en hebben ze geen elektriciteit nodig om op te laden. Brandstofcellen/cellen kunnen continu elektriciteit opwekken zolang ze een toevoer van brandstof en lucht hebben.

In tegenstelling tot andere opwekkers van elektriciteit, zoals verbrandingsmotoren of turbines die draaien op gas, kolen, stookolie etc., verbranden brandstofcellen/cellen geen brandstof. Dit betekent geen luidruchtige hogedrukrotoren, geen luid uitlaatgeluid, geen trillingen. Brandstofcellen/cellen wekken elektriciteit op door middel van een stille elektrochemische reactie. Een ander kenmerk van brandstofcellen/cellen is dat ze de chemische energie van de brandstof direct omzetten in elektriciteit, warmte en water.

Brandstofcellen zijn zeer efficiënt en produceren geen grote hoeveelheden broeikasgassen zoals kooldioxide, methaan en stikstofmonoxide. Het enige product dat tijdens bedrijf wordt uitgestoten, is water in de vorm van stoom en een kleine hoeveelheid kooldioxide, die helemaal niet wordt uitgestoten als pure waterstof als brandstof wordt gebruikt. Brandstofcellen / cellen worden geassembleerd tot assemblages en vervolgens tot afzonderlijke functionele modules.

Geschiedenis van brandstofcel / celontwikkeling

In de jaren vijftig en zestig ontstond een van de meest uitdagende taken voor brandstofcellen uit de behoefte van de National Aeronautics and Space Administration (NASA) aan energiebronnen voor langdurige ruimtemissies. NASA's alkalische brandstofcel / cel gebruikt waterstof en zuurstof als brandstof, waarbij de twee worden gecombineerd in een elektrochemische reactie. De output produceert drie bijproducten van de reactie die nuttig zijn bij ruimtevluchten: elektriciteit om het ruimtevaartuig van stroom te voorzien, water voor drink- en koelsystemen en warmte om de astronauten warm te houden.

De ontdekking van brandstofcellen gaat terug tot het begin van de 19e eeuw. Het eerste bewijs van het effect van brandstofcellen werd in 1838 verkregen.

Aan het eind van de jaren dertig begon men aan brandstofcellen met een alkalisch elektrolyt en in 1939 werd een cel gebouwd met behulp van onder hoge druk vernikkelde elektroden. Tijdens de Tweede Wereldoorlog werden brandstofcellen/cellen voor onderzeeërs van de Britse marine ontwikkeld en in 1958 werd een brandstofassemblage geïntroduceerd, bestaande uit alkalische brandstofcellen/cellen met een diameter van iets meer dan 25 cm.

De belangstelling nam toe in de jaren vijftig en zestig, en ook in de jaren tachtig, toen de industriële wereld een tekort aan stookolie kreeg. In dezelfde periode raakten wereldlanden ook bezorgd over het probleem van luchtvervuiling en overwogen ze methoden voor milieuvriendelijke productie van elektriciteit. Momenteel beleeft de technologie voor de productie van brandstofcellen / cellen een fase van snelle ontwikkeling.

Hoe brandstofcellen / cellen werken

Brandstofcellen/cellen wekken elektriciteit en warmte op uit een elektrochemische reactie die plaatsvindt met behulp van een elektrolyt, kathode en anode.

Op de anodekatalysator dissocieert moleculaire waterstof en verliest het elektronen. Waterstofionen (protonen) worden door de elektrolyt naar de kathode geleid, terwijl elektronen door de elektrolyt worden geleid en door een extern elektrisch circuit gaan, waardoor een gelijkstroom ontstaat die kan worden gebruikt om apparatuur van stroom te voorzien. Op de kathodekatalysator combineert een zuurstofmolecuul met een elektron (dat wordt geleverd door externe communicatie) en een binnenkomend proton, en vormt water, dat het enige reactieproduct is (in de vorm van damp en / of vloeistof).

Het volgende is de bijbehorende reactie:

Reactie aan de anode: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reactie aan de kathode: O 2 + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Algemene reactie van het element: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Soorten en verscheidenheid aan brandstofcellen/cellen

Net als het bestaan van verschillende soorten interne verbrandingsmotoren, zijn er ook verschillende soorten brandstofcellen - de keuze van het juiste type brandstofcel hangt af van de toepassing.

Brandstofcellen zijn onderverdeeld in hoge temperatuur en lage temperatuur. Lage temperatuur brandstofcellen hebben relatief zuivere waterstof als brandstof nodig. Dit betekent vaak dat brandstofverwerking nodig is om de primaire brandstof (zoals aardgas) om te zetten in zuivere waterstof. Dit proces kost extra energie en vereist speciale apparatuur. Hogetemperatuurbrandstofcellen hebben deze aanvullende procedure niet nodig, omdat ze de brandstof bij hoge temperaturen 'intern kunnen omzetten', wat betekent dat er niet hoeft te worden geïnvesteerd in waterstofinfrastructuur.

Brandstofcellen / cellen op het gesmolten carbonaat (RKTE)

Bij verhitting tot 650 ° C worden zouten een geleider voor carbonaationen (CO 3 2-). Deze ionen gaan van de kathode naar de anode, waar ze zich combineren met waterstof om water, koolstofdioxide en vrije elektronen te vormen. Deze elektronen worden via een extern elektrisch circuit terug naar de kathode geleid, waarbij elektrische stroom en warmte wordt gegenereerd als bijproduct.

Reactie aan de anode: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reactie aan de kathode: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Algemene reactie van het element: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) + CO 2 (kathode) => H 2 O (g) + CO 2 (anode)

Gesmolten carbonaat elektrolyt brandstofcellen zijn geschikt voor gebruik in grote stationaire installaties. Thermische centrales met een elektrisch uitgangsvermogen van 3,0 MW worden industrieel geproduceerd. Er worden installaties ontwikkeld met een uitgangsvermogen tot 110 MW.

Fosforzuur Brandstofcellen / Cellen (FCTE)

Fosforzuur (orthofosforzuur) brandstofcellen waren de eerste brandstofcellen voor commercieel gebruik.

Brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor)zuur gebruiken een elektrolyt op basis van fosforzuur (H 3 PO 4) met een concentratie tot 100%. De ionische geleidbaarheid van fosforzuur is laag bij lage temperaturen, daarom worden deze brandstofcellen gebruikt bij temperaturen tot 150-220 ° C.

De ladingsdrager in dit type brandstofcel is waterstof (H+, proton). Een soortgelijk proces vindt plaats in brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan, waarbij de aan de anode toegevoerde waterstof wordt gesplitst in protonen en elektronen. Protonen reizen door de elektrolyt en combineren met zuurstof uit de lucht bij de kathode om water te vormen. Elektronen worden door een extern elektrisch circuit geleid, waardoor een elektrische stroom wordt gegenereerd. Hieronder staan de reacties die elektriciteit en warmte opwekken.

Reactie aan de anode: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reactie aan de kathode: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Algemene reactie van het element: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Het hoge rendement van warmtekrachtcentrales op brandstofcellen op basis van fosfor (orthofosfor)zuur bij de gecombineerde productie van warmte en elektriciteit is een van de voordelen van dit type brandstofcellen. De planten gebruiken koolmonoxide met een concentratie van ongeveer 1,5%, wat de brandstofkeuze aanzienlijk vergroot. Bovendien heeft CO 2 geen invloed op het elektrolyt en de werking van de brandstofcel; dit type cel werkt met gereformeerde natuurlijke brandstof. Eenvoudig ontwerp, lage elektrolytvluchtigheid en verhoogde stabiliteit zijn ook voordelen van dit type brandstofcel.

Warmte- en krachtcentrales met een elektrisch vermogen tot 500 kW worden industrieel geproduceerd. De eenheden van 11 MW zijn dienovereenkomstig getest. Er worden installaties ontwikkeld met een uitgangsvermogen tot 100 MW.

Vast oxide brandstofcellen / cellen (SOFC)

Vast oxide brandstofcellen zijn de brandstofcellen met de hoogste bedrijfstemperatuur. De bedrijfstemperatuur kan worden gevarieerd van 600 ° C tot 1000 ° C, waardoor verschillende soorten brandstof kunnen worden gebruikt zonder speciale voorbehandeling. Om dergelijke hoge temperaturen aan te kunnen, is de gebruikte elektrolyt een dun, op keramiek gebaseerd, vast metaaloxide, vaak een legering van yttrium en zirkonium, dat een geleider is van zuurstof (O 2-) ionen.

Vaste elektrolyt zorgt voor een hermetisch afgesloten overgang van gas van de ene elektrode naar de andere, terwijl vloeibare elektrolyten zich in een poreus substraat bevinden. De ladingsdrager in dit type brandstofcel is een zuurstofion (O 2-). Aan de kathode worden zuurstofmoleculen uit de lucht gescheiden in een zuurstofion en vier elektronen. Zuurstofionen gaan door de elektrolyt en combineren met waterstof om vier vrije elektronen te vormen. Elektronen worden door een extern elektrisch circuit geleid en genereren elektrische stroom en afvalwarmte.

Reactie aan de anode: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reactie aan de kathode: O 2 + 4e - => 2O 2-
Algemene reactie van het element: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Het rendement van de opgewekte elektrische energie is het hoogst van alle brandstofcellen - ongeveer 60-70%. Hoge bedrijfstemperaturen maken het mogelijk om door middel van gecombineerde warmte- en krachtopwekking hogedrukstoom te genereren. Door een hogetemperatuurbrandstofcel te combineren met een turbine is het mogelijk om een hybride brandstofcel te creëren die de efficiëntie van de opwekking van elektrische energie tot 75% kan verhogen.

Brandstofcellen / cellen met directe oxidatie van methanol (POMTE)

Het ontwerp van brandstofcellen met directe methanoloxidatie is vergelijkbaar met brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan (MOPTE), d.w.z. als elektrolyt wordt een polymeer gebruikt en als ladingsdrager een waterstofion (proton). Vloeibare methanol (CH 3 OH) wordt echter geoxideerd in aanwezigheid van water aan de anode waarbij CO 2 , waterstofionen en elektronen vrijkomen, die door een extern elektrisch circuit worden geleid, waardoor een elektrische stroom wordt gegenereerd. Waterstofionen passeren de elektrolyt en reageren met zuurstof uit de lucht en elektronen uit het externe circuit om water te vormen bij de anode.

Reactie aan de anode: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reactie aan de kathode: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Algemene reactie van het element: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Het voordeel van dit type brandstofcel is de geringe omvang door het gebruik van vloeibare brandstof en het ontbreken van een converter.

Alkalische brandstofcellen / cellen (SHFC)

Alkalische brandstofcellen zijn een van de meest efficiënte elementen die worden gebruikt om elektriciteit op te wekken, met een efficiëntie van energieopwekking tot 70%.

Alkalische brandstofcellen gebruiken een elektrolyt, dat wil zeggen een waterige oplossing van kaliumhydroxide in een poreuze gestabiliseerde matrix. De concentratie kaliumhydroxide kan variëren afhankelijk van de bedrijfstemperatuur van de brandstofcel, die varieert van 65 ° C tot 220 ° C. De ladingsdrager in SHFC is een hydroxyl-ion (OH -), dat van de kathode naar de anode gaat, waar het reageert met waterstof, waarbij water en elektronen worden geproduceerd. Het water dat aan de anode wordt geproduceerd, gaat terug naar de kathode en genereert daar opnieuw hydroxylionen. Deze reeks reacties in de brandstofcel produceert elektriciteit en als bijproduct warmte:

Reactie aan de anode: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reactie aan de kathode: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Algemene reactie van het systeem: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Het voordeel van SHFC's is dat deze brandstofcellen het goedkoopst te vervaardigen zijn, aangezien de katalysator die op de elektroden nodig is, elk van de stoffen kan zijn die goedkoper zijn dan die welke als katalysator voor andere brandstofcellen worden gebruikt. SCFC's werken bij een relatief lage temperatuur en zijn een van de meest efficiënte brandstofcellen - dergelijke eigenschappen kunnen dienovereenkomstig bijdragen aan de versnelling van de stroomopwekking en een hoge brandstofefficiëntie.

Een van de karakteristieke kenmerken van SHFC is de hoge gevoeligheid voor CO 2, die in brandstof of lucht kan zitten. CO 2 reageert met het elektrolyt, vergiftigt het snel en vermindert de efficiëntie van de brandstofcel aanzienlijk. Daarom is het gebruik van SHTE beperkt tot gesloten ruimtes, zoals ruimte- en onderwatervoertuigen, ze moeten werken op pure waterstof en zuurstof. Bovendien zijn moleculen zoals CO, H 2 O en CH4, die veilig zijn voor andere brandstofcellen, en zelfs brandstof voor sommige daarvan, schadelijk voor SHFC's.

Polymeer elektrolyt brandstofcellen / cellen (PETE)

In het geval van polymere elektrolyt-brandstofcellen bestaat het polymeermembraan uit polymeervezels met watergebieden waarin de geleidbaarheid van waterionen (H 2 O + (proton, rood) is bevestigd aan het watermolecuul) bestaat. Watermoleculen vormen een probleem vanwege hun trage ionenuitwisseling. Daarom is zowel in de brandstof als bij de uitlaatelektroden een hoge waterconcentratie vereist, waardoor de bedrijfstemperatuur wordt beperkt tot 100 ° C.

Vaste zure brandstofcellen / cellen (TFCS)

In vaste zure brandstofcellen bevat de elektrolyt (CsHSO 4) geen water. De bedrijfstemperatuur is dus 100-300°C. Door de rotatie van de oxy-anionen SO 4 2- kunnen de protonen (rood) bewegen zoals weergegeven in de figuur. Gewoonlijk is een vast-zuur-brandstofcel een sandwich waarin een zeer dunne laag vaste zuurverbinding tussen twee stevig samengedrukte elektroden is geklemd om een goed contact te garanderen. Bij verhitting verdampt het organische bestanddeel en verlaat het via de poriën in de elektroden, waardoor het vermogen van meerdere contacten tussen de brandstof (of zuurstof aan het andere uiteinde van de cellen), elektrolyt en elektroden behouden blijft.

Diverse brandstofcelmodules. Brandstofcel batterij

Brandstofcel batterij
Andere apparatuur die bij hoge temperaturen werkt (geïntegreerde stoomgenerator, verbrandingskamer, warmtebalanswisselaar)
Hittebestendige isolatie

Brandstofcelmodule

Vergelijkende analyse van soorten en variëteiten van brandstofcellen

Innovatieve energie-efficiënte gemeentelijke warmte- en elektriciteitscentrales zijn meestal gebouwd op vaste oxide brandstofcellen (SOFC's), polymere elektrolyt brandstofcellen (PETF's), fosforzuur brandstofcellen (PCFC's), protonenuitwisselingsmembraan brandstofcellen (MOPFC's) en alkalische brandstofcellen ( PSFC's) ... Ze hebben meestal de volgende kenmerken:

De meest geschikte moeten worden erkend als vaste-oxidebrandstofcellen (SOFC's), die:

werken bij een hogere temperatuur, waardoor er minder dure edelmetalen (zoals platina) nodig zijn
kan werken op verschillende soorten koolwaterstofbrandstoffen, voornamelijk aardgas;
hebben een langere opstarttijd en zijn daarom beter geschikt voor langetermijnacties
hoge efficiëntie van stroomopwekking aantonen (tot 70%)
vanwege de hoge bedrijfstemperaturen kunnen de units worden gecombineerd met warmteterugwinningssystemen, waardoor het totale systeemrendement tot 85% kan worden bereikt
hebben vrijwel geen uitstoot, werken stil en hebben lage operationele vereisten in vergelijking met bestaande technologieën voor energieopwekking

Type brandstofcel	Werktemperatuur	Efficiëntie van stroomopwekking	Brandstoftype	Toepassingsgebied
RKTE	550-700 ° C	50-70%		Middelgrote en grote installaties
FKTE	100-220 ° C	35-40%	Zuivere waterstof	Grote installaties
MOPTE	30-100 ° C	35-50%	Zuivere waterstof	Kleine installaties
SOFC	450-1000 ° C	45-70%	De meeste koolwaterstofbrandstoffen	Kleine, middelgrote en grote installaties
POMTE	20-90 ° C	20-30%	Methanol	draagbaar
SHTE	50-200 ° C	40-70%	Zuivere waterstof	Ruimteonderzoek
PETE	30-100 ° C	35-50%	Zuivere waterstof	Kleine installaties

Omdat kleine WKK-installaties kunnen worden aangesloten op een conventioneel gastoevoernetwerk, hebben brandstofcellen geen apart waterstoftoevoersysteem nodig. Bij gebruik van kleine warmtekrachtkoppelingseenheden met vaste oxide-brandstofcel kan de opgewekte warmte worden geïntegreerd in warmtewisselaars voor het verwarmen van water en ventilatielucht, waardoor het algehele rendement van het systeem wordt verhoogd. Deze innovatieve technologie is het meest geschikt voor efficiënte elektriciteitsopwekking zonder de noodzaak van dure infrastructuur en complexe apparaatintegratie.

Brandstofcel-/celtoepassingen

Brandstofcel-/celtoepassingen in telecommunicatiesystemen

Met de snelle verspreiding van draadloze communicatiesystemen over de hele wereld en de groeiende sociaaleconomische voordelen van mobiele telefoontechnologie, is de behoefte aan betrouwbare en kosteneffectieve back-upvoeding van cruciaal belang geworden. Netverliezen door het hele jaar door slecht weer, natuurrampen of beperkte netcapaciteit zijn een voortdurende uitdaging voor netbeheerders.

Traditionele back-upoplossingen voor telecommunicatie omvatten batterijen (klepgeregelde loodzuurbatterijen) voor een korte back-up en diesel- en propaangeneratoren voor een langere back-up. Batterijen zijn een relatief goedkope back-upstroombron voor 1 tot 2 uur. Batterijen zijn echter niet geschikt voor een langere back-upstroom omdat ze duur zijn in onderhoud, onbetrouwbaar worden na langdurig gebruik, temperatuurgevoelig zijn en na verwijdering gevaarlijk zijn voor het milieu. Diesel- en propaangeneratoren kunnen continue back-upstroom leveren. Generatoren kunnen echter onbetrouwbaar zijn, tijdrovend onderhoud vergen en hoge niveaus van vervuiling en broeikasgassen in de atmosfeer uitstoten.

Om de beperkingen van traditionele standby-stroomoplossingen aan te pakken, is een innovatieve groene brandstofceltechnologie ontwikkeld. Brandstofcellen zijn betrouwbaar, stil, bevatten minder bewegende delen dan een generator, hebben een groter bedrijfstemperatuurbereik dan een batterij, van -40 ° C tot + 50 ° C, en zorgen daardoor voor een extreem hoge energiebesparing. Bovendien zijn de levenscycluskosten van een dergelijke installatie lager dan die van een generator. Lagere brandstofcelkosten zijn het resultaat van slechts één onderhoudsbezoek per jaar en aanzienlijk hogere fabrieksprestaties. Een brandstofcel is immers een milieuvriendelijke technologische oplossing met een minimale impact op het milieu.

Brandstofceleenheden bieden back-upstroom voor kritieke covoor draadloze, permanente en breedbandtelecommunicatie, variërend van 250 W tot 15 kW, en bieden vele ongeëvenaarde innovatieve functies:

BETROUWBAARHEID- weinig bewegende delen en geen ontlading in standby-modus
ENERGIEBESPAREND
STILTE- laag geluidsniveau
DUURZAAMHEID- werkbereik van -40 ° C tot + 50 ° C
AANPASSINGSVERMOGEN- buiten- en binnenopstelling (container / beschermcontainer)
HOOG VERMOGEN- tot 15 kW
LAGE ONDERHOUDSBEHOEFTE- minimaal jaarlijks onderhoud
EFFICINTIE- aantrekkelijke totale eigendomskosten
MILIEUVRIENDELIJKE ENERGIE- lage uitstoot met minimale impact op het milieu

Het systeem detecteert voortdurend de DC-busspanning en accepteert probleemloos kritische belastingen als de DC-busspanning onder een door de gebruiker gedefinieerde vooraf ingestelde waarde daalt. Het systeem werkt op waterstof, dat op twee manieren in de brandstofcelstapel terechtkomt: ofwel uit een industriële waterstofbron, ofwel uit vloeibare brandstoffen uit methanol en water, met behulp van een geïntegreerd reformingsysteem.

Elektriciteit wordt geproduceerd door de brandstofcelstack in de vorm van gelijkstroom. Gelijkstroom wordt overgebracht naar een omvormer, die niet-gereguleerde gelijkstroom van de brandstofcelstack omzet in gereguleerde gelijkstroom van hoge kwaliteit voor de vereiste belastingen. De brandstofcelinstallatie kan vele dagen een back-up stroomvoorziening leveren, aangezien de werkingsduur alleen wordt beperkt door de beschikbare hoeveelheid waterstof of brandstof uit methanol/water.

Brandstofcellen bieden hoge energiebesparingen, verhoogde systeembetrouwbaarheid, meer voorspelbare prestaties in een breed scala van klimaten en een betrouwbare levensduur in vergelijking met industriestandaard klepgereguleerde loodzuuraccu's. De levenscycluskosten zijn ook lager doordat er aanzienlijk minder onderhoud en vervanging nodig is. Brandstofcellen bieden de eindgebruiker milieuvoordelen, aangezien verwijderingskosten en aansprakelijkheidsrisico's in verband met loodzuurcellen een groeiend probleem vormen.

De prestaties van elektrische batterijen kunnen negatief worden beïnvloed door een groot aantal factoren, zoals laadniveau, temperatuur, cycli, levensduur en andere variabelen. De geleverde energie varieert afhankelijk van deze factoren en is niet eenvoudig te voorspellen. De prestaties van een Proton Exchange Membrane (POMFC) brandstofcel worden relatief niet beïnvloed door deze factoren en kunnen kritische elektrische stroom leveren zolang er brandstof beschikbaar is. Verhoogde voorspelbaarheid is een belangrijk voordeel bij de migratie naar brandstofcellen voor kritische back-uptoepassingen.

Brandstofcellen wekken alleen energie op wanneer brandstof wordt toegevoerd, zoals een gasturbinegenerator, maar hebben geen bewegende delen in de opwekkingszone. Daarom zijn ze, in tegenstelling tot een generator, niet onderhevig aan snelle slijtage en hebben ze geen constant onderhoud en smering nodig.

De brandstof die wordt gebruikt om de brandstofconverter met verlengde werking aan te drijven, is een mengsel van methanol en water. Methanol is een algemeen verkrijgbare, in de handel verkrijgbare brandstof die momenteel veel toepassingen kent, waaronder ruitensproeiers, plastic flessen, motoradditieven en emulsieverven. Methanol is gemakkelijk te transporteren, kan worden gemengd met water, is goed biologisch afbreekbaar en bevat geen zwavel. Het heeft een laag vriespunt (-71°C) en degradeert niet bij langdurige opslag.

Toepassing van brandstofcellen / cellen in communicatienetwerken

Clandestiene netwerken hebben betrouwbare back-upstroomoplossingen nodig die in noodsituaties uren of dagen kunnen functioneren als het elektriciteitsnet niet langer beschikbaar is.

Met weinig bewegende delen en geen reductie in de standby-modus, biedt de innovatieve brandstofceltechnologie een aantrekkelijke oplossing in vergelijking met de huidige standby-stroomsystemen.

De meest dwingende reden voor het gebruik van brandstofceltechnologie in communicatienetwerken is de grotere algehele betrouwbaarheid en veiligheid. Tijdens incidenten zoals stroomuitval, aardbevingen, stormen en orkanen is het belangrijk dat de systemen gedurende langere tijd blijven werken en een betrouwbare back-up stroomvoorziening hebben, ongeacht de temperatuur of levensduur van het back-up stroomsysteem.

Het assortiment brandstofcelvoedingen is ideaal voor het ondersteunen van beveiligde communicatienetwerken. Dankzij hun energiebesparende ontwerpprincipes bieden ze milieuvriendelijke, betrouwbare back-upstroom met een langere looptijd (tot meerdere dagen) voor gebruik in het vermogensbereik van 250 W tot 15 kW.

Toepassing van brandstofcellen / cellen in datanetwerken

Betrouwbare stroomvoorziening voor datanetwerken zoals hogesnelheidsdatanetwerken en glasvezel-backbones is wereldwijd van cruciaal belang. De informatie die via dergelijke netwerken wordt verzonden, bevat kritieke gegevens voor instellingen zoals banken, luchtvaartmaatschappijen of medische centra. Stroomuitval in dergelijke netwerken vormt niet alleen een gevaar voor de verzonden informatie, maar leidt in de regel tot aanzienlijke financiële verliezen. Betrouwbare, innovatieve brandstofcelinstallaties met noodstroom leveren de betrouwbaarheid die u nodig hebt voor ononderbroken stroomvoorziening.

Brandstofcelinstallaties die werken op een vloeibaar brandstofmengsel van methanol en water, bieden betrouwbare back-upstroom met langere looptijden, tot meerdere dagen. Bovendien hebben deze units aanzienlijk minder onderhoudsvereisten in vergelijking met generatoren en batterijen, waardoor er slechts één onderhoudsbezoek per jaar nodig is.

Typische locatiekenmerken voor het gebruik van brandstofcelinstallaties in datanetwerken:

Toepassingen met verbruikte energiehoeveelheden van 100 W tot 15 kW
Applicaties met batterijduur > 4 uur
Repeaters in glasvezelsystemen (hiërarchie van synchrone digitale systemen, snel internet, voice over IP ...)
Hogesnelheidsnetwerkknooppunten
WiMAX-transmissieknooppunten

Stand-by-installaties voor brandstofcellen bieden tal van voordelen voor kritieke datanetwerkinfrastructuren ten opzichte van traditionele stand-alone batterijen of dieselgeneratoren, waardoor meer veldgebruik mogelijk is:

Vloeibare brandstoftechnologie lost het probleem van waterstofopslag op en zorgt voor een vrijwel onbeperkte werking van de back-upstroomvoorziening.
Door hun stille werking, laag gewicht, weerstand tegen extreme temperaturen en praktisch trillingsvrije werking kunnen de brandstofcellen buiten het gebouw, in industriële ruimtes/containers of op daken worden geïnstalleerd.
De voorbereidingen voor het gebruik van het systeem ter plaatse zijn snel en voordelig en de bedrijfskosten zijn laag.
De brandstof is biologisch afbreekbaar en biedt een milieuvriendelijke oplossing voor stedelijke omgevingen.

Het gebruik van brandstofcellen/cellen in beveiligingssystemen

De meest geavanceerde beveiligings- en communicatiesystemen voor gebouwen zijn slechts zo betrouwbaar als de stroomvoorziening die ze draaiende houdt. Hoewel de meeste systemen een soort UPS bevatten voor kortdurende stroomuitval, scheppen ze niet de voorwaarden voor langere stroomuitval na natuurrampen of terroristische aanslagen. Dit kan een kritiek probleem zijn voor veel bedrijven en overheidsinstanties.

Vitale systemen zoals bewakings- en toegangscontrolesystemen met behulp van videobewakingssystemen (ID-kaartlezers, deursluitapparatuur, biometrische identificatietechnieken, enz.), automatische brandalarm- en brandblussystemen, liftcontrolesystemen en telecommunicatienetwerken, lopen gevaar in de afwezigheid van een betrouwbare alternatieve continue stroombron.

Dieselgeneratoren maken veel lawaai, zijn moeilijk te plaatsen en staan bekend om hun betrouwbaarheid en onderhoudsproblemen. Een brandstofcelinstallatie die back-upstroom levert, is daarentegen stil, betrouwbaar, heeft geen of zeer lage emissies en is eenvoudig te installeren op een dak of buiten een gebouw. Het raakt niet leeg of verliest geen stroom in de standby-modus. Het zorgt ervoor dat kritieke systemen blijven werken, zelfs nadat de faciliteit is stilgelegd en mensen het gebouw hebben verlaten.

Innovatieve brandstofcelinstallaties beschermen waardevolle investeringen in bedrijfskritieke toepassingen. Ze bieden milieuvriendelijk, betrouwbaar stand-byvermogen met een lange levensduur (tot vele dagen) voor gebruik in het vermogensbereik van 250 W tot 15 kW, gecombineerd met tal van ongeëvenaarde functies en bijzonder hoge energiebesparingen.

Stand-by-energiecentrales met brandstofcellen bieden tal van voordelen voor gebruik in bedrijfskritieke toepassingen zoals beveiligings- en gebouwbeheersystemen ten opzichte van traditionele stand-alone batterijen of dieselgeneratoren. Vloeibare brandstoftechnologie lost het probleem van waterstofopslag op en zorgt voor een vrijwel onbeperkte werking van de back-upstroomvoorziening.

Het gebruik van brandstofcellen/-cellen in huisverwarming en elektriciteitsopwekking

Vaste-oxidebrandstofcellen (SFC's) worden gebruikt om betrouwbare, energiezuinige en emissievrije thermische centrales te bouwen om elektriciteit en warmte op te wekken uit algemeen verkrijgbaar aardgas en hernieuwbare brandstofbronnen. Deze innovatieve units worden gebruikt in een groot aantal verschillende markten, van stroomopwekking thuis tot de levering van elektriciteit aan afgelegen gebieden, evenals hulpvoedingen.

Toepassing van brandstofcellen / cellen in distributienetwerken

Kleine warmtekrachtcentrales zijn ontworpen om te werken in een gedistribueerd elektriciteitsopwekkingsnetwerk dat bestaat uit een groot aantal kleine stroomaggregaten in plaats van één gecentraliseerde elektriciteitscentrale.

Onderstaande figuur toont de verliezen in de efficiëntie van elektriciteitsopwekking wanneer deze wordt opgewekt in WKK-centrales en naar huizen wordt getransporteerd via de traditionele eldie momenteel in gebruik zijn. Efficiëntieverliezen bij gecentraliseerde opwekking omvatten verliezen van de energiecentrale, laag- en hoogspanningstransmissie en distributieverliezen.

De figuur toont de resultaten van de integratie van kleine thermische centrales: elektriciteit wordt opgewekt met een opwekkingsrendement tot 60% op het punt van gebruik. Bovendien kan het huishouden de door de brandstofcellen gegenereerde warmte gebruiken om water en ruimte te verwarmen, wat de algehele energie-efficiëntie van de brandstof verhoogt en de energiebesparing verbetert.

Gebruik van brandstofcellen om het milieu te beschermen - gebruik van bijbehorend petroleumgas

Een van de belangrijkste taken in de olie-industrie is het gebruik van bijbehorend petroleumgas. De bestaande methoden voor het gebruik van bijbehorend petroleumgas hebben veel nadelen, waarvan de belangrijkste is dat ze economisch onrendabel zijn. Bijbehorend petroleumgas wordt verbrand, wat grote schade toebrengt aan het milieu en de menselijke gezondheid.

Innovatieve thermische energiecentrales met brandstofcellen die geassocieerd petroleumgas als brandstof gebruiken, openen de weg naar een radicale en kosteneffectieve oplossing voor de problemen van het gebruik van geassocieerd petroleumgas.

Een van de belangrijkste voordelen van brandstofcelinstallaties is dat ze betrouwbaar en stabiel kunnen werken met variabel bijbehorend petroleumgas. Door de vlamloze chemische reactie die ten grondslag ligt aan de werking van de brandstofcel, veroorzaakt een daling van het percentage van bijvoorbeeld methaan slechts een overeenkomstige daling van het vermogen.
Flexibiliteit met betrekking tot de elektrische belasting van consumenten, val, belastingstoot.
Voor de installatie en aansluiting van warmte- en krachtcentrales op brandstofcellen vereist de implementatie ervan geen kapitaaluitgaven, omdat: de units zijn eenvoudig te monteren op onvoorbereide locaties in de buurt van de velden, zijn handig in gebruik, betrouwbaar en efficiënt.
Hoge automatisering en moderne afstandsbediening vereisen geen constante aanwezigheid van personeel bij de installatie.
Eenvoud en technische perfectie van het ontwerp: de afwezigheid van bewegende delen, wrijving, smeersystemen levert aanzienlijke economische voordelen op bij de werking van brandstofcelinstallaties.
Waterverbruik: geen bij omgevingstemperaturen tot +30 °C en verwaarloosbaar bij hogere temperaturen.
Waterafvoer: afwezig.
Bovendien maken warmtekrachtcentrales met brandstofcellen geen geluid, trillen, geen schadelijke emissies in de atmosfeer geven