Gorivna celica proizvaja električno energijo, dokler celica dobi oskrbo z gorivom in lahko odloži oksidirano staro gorivo. V gorivni celici se anoda po navadi kopa v gorivo; katoda zbira in daje na voljo oksidant (pogosto atmosferski kisik). Ionsko prevodna membrana ločuje obe, kar omogoča reakcijo, ne da bi to vplivalo na elektrode.
Obstaja šest glavnih tehnologij gorivnih celic, ki se trenutno izvajajo za različne namenske programe, vsak z lastnimi značilnostmi. Nekateri delujejo pri visokih temperaturah, nekateri uporabljajo eksotične elektrode ali katalizatorje, vsi so zelo zapleteni, te so:
- Alkali
- Fosforna kislina
- Trden oksid
- Taljen karbonat
- Protonska membrana PEM
- Neposredno metanol DMFC
Predlagani so bili za široko paleto namenskih programov za napajanje prenosnih računalnikov, s pomočjo avtomobilskega pogona do izenačevanja obremenitve z visokimi močmi.
Najbolj aktivni razvoj je trenutno v avtomobilskem sektorju, kjer je prednostna tehnologija PEM. To obljublja visoko stopnjo pretvorbe več kot 60 % in gostoto energije 120 W / kg. DMFC ne uporablja vodikovega goriva s povezanimi težavami pri oskrbi, temveč bolj prikladen tekoči metanol. So manj učinkoviti, vendar ponujajo kompaktne in priročne modele, primerne za prihodnje namenske programe potrošniške elektronike.
Kako gorivna celica deluje?
Potencialna moč, ki jo ustvari snop gorivnih celic, je odvisna od števila in velikosti posameznih gorivnih celic, ki obsegajo prostor in površino PEM.
Prednosti
Moč gorivnih celic je po navadi predlagana kot zelena, alternativa motorju z notranjim zgorevanjem, ki oskrbuje le vodik in ne pušča nobenih onesnaževal, razen vode.
- Preprosto gorivo, ki potrebuje samo vodikovo gorivo, pri čemer prejema kisik iz zraka.
- Ni potrebno polnjenje.
- Noben čas se ne izgubi s polnjenjem. (Akti kot večna primarna celica)
- Dokler je gorivo zagotovljeno, lahko celice zagotovijo stalno moč na oddaljenih lokacijah.
- Praktične gorivne celice že imajo učinkovitosti do 60 %
- Gorivne celice zagotavljajo največjo učinkovitost pri nizki porabi moči (to je vzvratno od motorja z notranjim zgorevanjem)
- Pri transportnih uporabah gorivnih celic ponujajo večjo učinkovitost od "motorja do koles" (WTW) kot konvencionalni motorji z notranjim zgorevanjem.
Učinkovitost od motorja do koles
CGH2 - osrednji vodik
SGH2 - vodik, proizveden na postajo
CIDI - neposredno vbrizgavanje v kompresijski vžig
Primerjava je pokazala, da je z motorjem z notranjim zgorevanjem večja učinkovitost gorivnih celic od "rezervoarja-do-koles" (TTW) kot kompenzacija učinkovitosti distribucije z nizko "močjo do rezervoarja" (WTT) zaradi potrebe po stisnjenem vodiku, ki ga proizvede na krovu. Vendar vozilo z gorivnimi celicami ne ponuja bistvenih izboljšav glede učinkovitosti nad hibridnim dizelskim motorjem.
Pomanjkljivosti
Okolju prijazne poverilnice gorivnih celic spregledajo procese, ki so potrebni za pridobivanje in distribucijo vodikovega goriva. Gorivne celice zgolj premikajo onesnaževanje z vozila na drugo lokacijo.
Danes se 98 % vodika proizvaja iz virov fosilnih goriv.
Po mnenju raziskovalcev se za zamenjavo bencina in dizelskega goriva za cestni promet v Veliki Britaniji z vodikom, ki ga proizvede elektroliza vode, bi bile treba zgraditi 100 jedrskih elektrarn ali 100.000 vetrnih turbin. Če bi bile vetrne turbine nameščene na morju, bi to pomenilo približno 10 kilometrov globok pas vetrnih turbin, ki obkrožajo celotno obalo Britanskih otokov. Če bi bile vetrne turbine ob obali, potem bi bilo treba vetrne turbine namestiti na območje, ki je večje od celotnega Walesa.
Pomemben dejavnik, ki zavira trg, je pomanjkanje razpoložljive infrastrukture za zagotavljanje vodikovega goriva. Vodikovo gorivo je lahko dobavljeno v čisti obliki v jeklenkah ali pa je mogoče na cilindrih na vozilu ponovno napolniti na posebnih postajah za oskrbo z gorivom. Čeprav splošna javnost kljub varnostnim ukrepom še vedno zaznava, da je vodikovo gorivo dvomljivo.
Alternativno se vodik lahko proizvede na krovu, kot je treba, iz ogljikovodikovih goriv, kot so etanol, metanol, bencin ali stisnjen zemeljski plin v procesu, imenovanem reformirati. To ni idealna rešitev. Reforma ustvarja ogljikov dioksid kot odpadni proizvod, ki izgubi nekaj zelenih koristi gorivnih celic. Prav tako je drago in to je, kot da bi z vami nosili svoje kemično območje, vendar pa poenostavi infrastrukturno oskrbo z gorivom, vendar bi lahko gorivo ravno tako zlahka poganjalo motor z notranjim zgorevanjem.
Celo zaradi neupoštevanja teh težav še vedno obstajajo številne pomanjkljivosti pri uporabi gorivnih celic za glavno gibalno moč. Nizko celična napetost 0,6 - 0,7 Volta pomeni, da sistem potrebuje veliko celic, da dobi normalno delovno napetost 200 - 300 voltov za pogon pogonskega motorja. Moč se generira po potrebi, vendar proces v gorivni celici ni povračljiv in tako, kot primarna celica, ne more sprejeti regenerativnih zavornih obremenitev. Gorivne celice proizvajajo električno energijo, vendar ne morejo hraniti električne energije.
Gorivne celice imajo nizko dinamično območje in počasno prehodno odzivanje, kar povzroči nesprejemljivo zaostajanje pri odzivu na poziv za moč s strani voznika. Za doseganje želene uspešnosti sistema je zato potrebna močna moč akumulatorja ali diagrama, ki prikazuje hierarhično klasifikacijo, in povezanih vrst katalizatorjev (električni dvoslojni kondenzator).
Večina modelov mora delovati pri visokih temperaturah, da se doseže razumna operativna učinkovitost. Za ustvarjanje enake učinkovitosti pri nižjih temperaturah je potrebna velika količina dragih katalizatorjev, kot je platina.
Nizek temperaturni zamrznitev elektrolita.
Elektrode, ki so nagnjene k onesnaženju.
Zaradi potrebe po uporabi eksotičnih materialov in kompleksnih modelov sistema je sistem še vedno zelo drag. Teoretično bi morala biti gorivna celica vse, kar je potrebno za pogon električnega vozila, vendar so baterije še vedno potrebne za podporo gorivnih celičnih sistemov.
Vrh obrazca
Podpora za baterijo
Baterije so potrebne pri uporabi v gorivnih celicah za naslednje funkcije:
- Med zagonom segrevajte ogrodje gorivnih celic in elektrolit do optimalne delovne temperature
- Črpanje delovnih tekočin skozi plasti (zraka, vodika, voda)
- Za oskrbo reformatorja, če je na krovu ustvarjen vodik
- Zagotavljati kratkoročno majhno mogočo moč, da bi nadomestili počasen odziv gorivne celice na nenadne potrebe po energiji (pospešek)
- Za zajemanje regenerativne energije zavor
- Za napajanje nizkonapetostnih električnih sistemov v vozilu
Namenski programi
Za avtomobile z namenskimi programi so gorivne celice primerne samo za hibridne namenske programe, ki zagotavljajo osnovno močno obremenitev z vrhovi in koreninami za povpraševanje ter regenerativno zaviranje, ki ga sprejemajo baterije ali obnovitveni kondenzatorji. Gorivna celica je zato lahko dimenzionirana, da deluje na optimalni delovni točki, pri čemer zagotavlja povprečno moč, ne pa tudi maksimalno moč, ki omogoča znatne prihranke.
Gorivne celice so bile uspešno uporabljene v vesoljskih uporabah. Za izobraževalne namene so na voljo preprosti kompleti demonstratorjev majhne moči. Morda bodo najboljši namenski programi za gorivne celice za izenačevanje obremenitve z visokimi močmi. Prototipi celic neposrednega metanola se trenutno preizkušajo za mobilne telefone in prenosne računalniške namenske programe.
Stroški
Za resnično primerjavo učinkovitosti, stroškov in koristi alternativnega sistema mora vsaka alternativa temeljiti na istem viru goriva. Uporaba olja, kot prvotnega vira energije pomeni "racionalno kolo" racionalno primerjavo učinkovitosti izkoriščanja energije v različnih sistemih.
Toda nafta ni edini vir energije. Električna energija, ki se uporablja za pogon električnih vozil ali za proizvodnjo vodika za dovajanje gorivnih celic, lahko izhajamo iz različnih virov.
Ti lahko vključujejo elektrarne, ki jih poganja olje ali premog ali vodna ali jedrska energija, ali obnovljivi viri, kot so vetrna, valovna in sončna energija. Tako lahko pride do velike razlike v stroških in vplivih na okolje, odvisno od metod, ki se uporabljajo za oskrbo potrebnega goriva.
I.K.
