Vodíkové auto na stole: nejúžasnější stavebnice. DIY vodíkový palivový článek. DIY vodíkový ohřev DIY alkalický palivový článek

Nissan vodíkový palivový článek

Mobilní elektronika se každým rokem zlepšuje, stává se rozšířenější a dostupnější: PDA, notebooky, mobilní a digitální zařízení, fotorámečky atd. Všechny jsou neustále aktualizovány o nové funkce, větší monitory, bezdrátovou komunikaci, silnější procesory a zároveň se zmenšují . Výkonové technologie, na rozdíl od polovodičové, nejdou kupředu mílovými kroky.

Stávající baterie a akumulátory pro napájení výdobytků průmyslu se stávají nedostačujícími, takže otázka alternativních zdrojů je velmi akutní. Palivové články jsou zdaleka nejslibnější oblastí. Princip jejich fungování objevil již v roce 1839 William Grove, který vyráběl elektřinu změnou elektrolýzy vody.

Video: Dokument, palivové články pro dopravu: minulost, přítomnost, budoucnost

Palivové články zajímají automobilky a zajímají se o ně i konstruktéři vesmírných lodí. V roce 1965 je dokonce testovala Amerika na kosmické lodi Gemini 5 vypuštěné do vesmíru a později na Apollu. Do výzkumu palivových článků se investují miliony dolarů i dnes, kdy dochází k problémům spojeným se znečištěním životního prostředí a rostoucími emisemi skleníkových plynů vznikajících při spalování fosilních paliv, jejichž zásoby také nejsou nekonečné.

Palivový článek, často nazývaný elektrochemický generátor, funguje způsobem popsaným níže.

Být stejně jako akumulátory a baterie galvanickým prvkem, ovšem s tím rozdílem, že účinné látky jsou v něm uloženy odděleně. Jsou dodávány k elektrodám tak, jak jsou používány. Přírodní palivo nebo jakákoli látka z něj získaná hoří na záporné elektrodě, která může být plynná (například vodík a oxid uhelnatý) nebo kapalná, jako jsou alkoholy. Kyslík obvykle reaguje na kladné elektrodě.

Zdánlivě jednoduchý princip fungování ale není snadné převést do reality.

DIY palivový článek

Video: DIY vodíkový palivový článek

Bohužel nemáme fotografie, jak by měl tento palivový článek vypadat, spoléháme na vaši fantazii.

Nízkoenergetický palivový článek si můžete vyrobit vlastníma rukama i ve školní laboratoři. Musíte zásobit starou plynovou masku, několik kusů plexiskla, alkálie a vodný roztok etylalkoholu (jednodušeji vodka), který bude sloužit jako „palivo“ pro palivový článek.

Nejprve potřebujete pouzdro pro palivový článek, nejlépe z plexiskla o tloušťce alespoň pět milimetrů. Vnitřní přepážky (uvnitř je pět přihrádek) lze udělat trochu tenčí - 3 cm.K lepení plexiskla použijte lepidlo o složení: šest gramů hoblin z plexiskla se rozpustí ve sto gramech chloroformu nebo dichlorethanu (práce je hotová pod kapotou).

Nyní je třeba vyvrtat otvor ve vnější stěně, do kterého je třeba vložit skleněnou odtokovou trubici o průměru 5-6 centimetrů přes gumovou zátku.

Každý ví, že v periodické tabulce jsou nejaktivnější kovy v levém dolním rohu a vysoce aktivní metaloidy jsou v pravém horním rohu tabulky, tzn. schopnost darovat elektrony se zvyšuje shora dolů a zprava doleva. Prvky, které se mohou za určitých podmínek projevit jako kovy nebo metaloidy, jsou ve středu tabulky.

Nyní nalijeme aktivní uhlí z plynové masky do druhého a čtvrtého oddílu (mezi první přepážkou a druhou, stejně jako třetí a čtvrtou), které budou fungovat jako elektrody. Aby se uhlí nevysypalo skrz otvory, můžete jej umístit do nylonové tkaniny (vhodné jsou dámské nylonové punčochy). V

Palivo bude cirkulovat v první komoře a v páté by měl být dodavatel kyslíku – vzduch. Mezi elektrodami bude elektrolyt a aby se zabránilo jeho úniku do vzduchové komory, před nasypáním uhlí do čtvrté komory pro vzduchový elektrolyt jej musíte namočit roztokem parafínu v benzínu (poměr 2 gramů parafínu na půl sklenice benzínu). Na vrstvu uhlí je třeba položit (mírným přitlačením) měděné pláty, ke kterým jsou připájeny dráty. Jejich prostřednictvím bude proud odváděn od elektrod.

Zbývá pouze nabít prvek. K tomu potřebujete vodku, která musí být zředěna vodou 1:1. Poté opatrně přidejte tři sta až tři sta padesát gramů hydroxidu draselného. Pro elektrolyt se 70 gramů hydroxidu draselného rozpustí ve 200 gramech vody.

Palivový článek je připraven k testování. Nyní musíte současně nalít palivo do první komory a elektrolyt do třetí. Voltmetr připojený k elektrodám by měl ukazovat od 07 voltů do 0,9. Pro zajištění nepřetržitého provozu prvku je nutné vyjmout vyhořelé palivo (vypustit do sklenice) a doplnit nové palivo (pryžovou hadičkou). Rychlost posuvu se nastavuje stlačením trubice. Tak vypadá provoz palivového článku v laboratorních podmínkách, jehož výkon je pochopitelně nízký.

Video: Palivový článek nebo věčná baterie doma

Aby byla zajištěna větší síla, vědci na tomto problému pracovali již dlouhou dobu. Aktivní ocel ve vývoji obsahuje metanolové a etanolové palivové články. Ale bohužel zatím nebyly uvedeny do praxe.

Proč je palivový článek zvolen jako alternativní zdroj energie

Jako alternativní zdroj energie byl zvolen palivový článek, protože konečným produktem spalování vodíku v něm je voda. Jediným problémem je najít levný a účinný způsob výroby vodíku. Enormní prostředky investované do vývoje vodíkových generátorů a palivových článků nemohou nenést své ovoce, takže technologický průlom a jejich reálné využití v běžném životě je jen otázkou času.

Již dnes monstra automobilového průmyslu: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard předvádějí autobusy a auta na palivové články, jejichž výkon dosahuje 50 kW. Ale problémy spojené s jejich bezpečností, spolehlivostí a cenou ještě nebyly vyřešeny. Jak již bylo zmíněno, na rozdíl od tradičních zdrojů energie – baterií a akumulátorů, jsou v tomto případě okysličovadlo a palivo přiváděny zvenčí a palivový článek je pouze prostředníkem v probíhající reakci hoření paliva a přeměně uvolněné energie na elektřinu. Ke „spalování“ dochází pouze v případě, že prvek dodává proud do zátěže, jako dieselový elektrický generátor, ale bez generátoru a dieselového motoru a také bez hluku, kouře a přehřívání. Současně je účinnost mnohem vyšší, protože neexistují žádné mezilehlé mechanismy.

Video: Auto na vodíkové palivové články

Velké naděje se vkládají do využití nanotechnologií a nanomateriálů, který pomůže miniaturizovat palivové články a zároveň zvýšit jejich výkon. Objevily se zprávy, že byly vytvořeny ultraúčinné katalyzátory a také návrhy palivových článků, které nemají membrány. V nich je palivo (například metan) dodáváno do prvku spolu s okysličovadlem. Zajímavá řešení využívají jako okysličovadlo kyslík rozpuštěný ve vzduchu a jako palivo se používají organické nečistoty, které se hromadí ve znečištěných vodách. Jedná se o takzvané biopalivové prvky.

Palivové články se podle odborníků mohou dostat na masový trh v příštích letech.

Vodík je čisté palivo, protože produkuje pouze vodu a představuje čistou energii využívající obnovitelné zdroje energie. Může být uložen v palivovém článku, který vyrábí elektřinu pomocí elektrochemického konverzního zařízení. Vodík je revoluční, ale jeho vývoj je stále velmi omezený. Důvody: obtížná výroba energie, hospodárnost a sporná vzhledem k energetické náročnosti návrhu. Tato možnost dodávek energie však nabízí zajímavé vyhlídky z hlediska skladování energie, zejména pokud jde o obnovitelné zdroje.

Koncept účinně demonstroval Humphry Davy na počátku devatenáctého století. V roce 1838 následovala průkopnická práce Christiana Friedricha Schonbeina. Na začátku 60. let začala NASA ve spolupráci s průmyslovými partnery vyvíjet tento typ generátoru pro lety lidí do vesmíru. To vedlo k prvnímu bloku PEMFC.

Další výzkumník GE, Leonard Niedrach, upravil Grubbův PEMFC pomocí platiny jako katalyzátoru. Grubb-Niedrach byl dále vyvíjen ve spolupráci s NASA a koncem 60. let byl použit ve vesmírném programu Gemini. Společnost International Fuel Cells (IFC, později UTC Power) vyvinula jednotky o výkonu 1,5 kW pro kosmické lety Apollo. Zajišťovali elektřinu a také pitnou vodu pro astronauty během jejich mise. IFC následně vyvinulo 12 kW jednotky používané k poskytování palubní energie na všech letech kosmických lodí.

Automobilový prvek poprvé vynalezl Grulle v 60. letech 20. století. GM použil Union Carbide ve vozidle "Electrovan". Používal se pouze jako služební vůz, ale na plnou nádrž dokázal ujet až 120 mil a dosahoval rychlosti až 70 mph. Kordesch a Grulke experimentovali s vodíkovým motocyklem v roce 1966. Byl to hybridní článek s NiCad baterií v tandemu, který dosáhl působivých 1,18 l/100 km. Tento krok posunul pokročilou technologii elektrokol a komercializaci elektronických motocyklů.

V roce 2007 se palivové zdroje začaly komercializovat v různých aplikacích a byly prodávány koncovým uživatelům s písemnými zárukami a servisními schopnostmi, tzn. splňují požadavky a standardy tržní ekonomiky. Řada segmentů trhu se tak začala zaměřovat na poptávku. Zejména tisíce PEMFC a DMFC pomocných napájecích jednotek (APU) byly komercializovány v zábavních aplikacích: lodě, hračky a vzdělávací sady.

Horizon v říjnu 2009 ukázal první komerční elektronický systém Dynario, který běží na metanolových patronách. Palivové články Horizon jsou schopné nabíjet mobilní telefony, GPS systémy, fotoaparáty nebo digitální hudební přehrávače.

Vodíkové palivové články jsou látky, které obsahují vodík jako palivo. Vodíkové palivo je palivo s nulovými emisemi, které uvolňuje energii během spalování nebo prostřednictvím elektrochemických reakcí. Palivové články a baterie produkují elektrický proud prostřednictvím chemické reakce, ale ty první budou produkovat energii, dokud bude palivo, takže nikdy neztrácí náboj.

Tepelné procesy k výrobě vodíku typicky zahrnují reformování párou, vysokoteplotní proces, kde pára reaguje se zdrojem uhlovodíků za uvolnění vodíku. Mnoho přírodních paliv lze přeměnit na vodík.

Dnes přibližně 95 % vodíku pochází z reformování plynem. Voda se elektrolýzou rozděluje na kyslík a vodík v zařízení, které funguje jako nulové palivové články Horizon obráceně.

K výrobě vodíku používají světlo jako činidlo. Existuje několik procesů založených na solárních panelech:

fotobiologické;
fotoelektrochemické;
slunný;
termochemické.

Fotobiologické procesy využívají přirozenou fotosyntetickou aktivitu bakterií a zelených řas.

Fotoelektrochemické procesy jsou specializované polovodiče pro štěpení vody na vodík a kyslík.

Solární termochemická výroba vodíku využívá koncentrovanou sluneční energii k reakci na rozštěpenou vodu spolu s jinými druhy, jako jsou oxidy kovů.

Biologické procesy využívají mikroby, jako jsou bakterie a mikrořasy, a mohou produkovat vodík prostřednictvím biologických reakcí. Při přeměně mikrobiální biomasy mikrobi rozkládají organickou hmotu, jako je biomasa, zatímco při fotobiologických procesech mikrobi využívají jako zdroj sluneční světlo.

Zařízení prvků se skládají z několika částí. Každý má tři hlavní součásti:

anoda;
katoda;
elektricky vodivý elektrolyt.

V případě palivových článků Horizon, kde je každá elektroda vyrobena z materiálu s velkým povrchem impregnovaného katalyzátorem ze slitiny platiny, je materiálem elektrolytu membrána a slouží jako iontový vodič. Výroba elektřiny je řízena dvěma primárními chemickými reakcemi. Pro prvky používající čistý H2.

Plynný vodík je na anodě rozdělen na protony a elektrony. První procházejí elektrolytovou membránou a druhé proudí kolem ní a vytváří elektrický proud. Nabité ionty (H+ a e-) se slučují s O2 na katodě a uvolňují vodu a teplo. Četné environmentální problémy, které ovlivňují dnešní svět, mobilizují společnost k dosažení udržitelného rozvoje a pokroku v ochraně planety. Klíčovým faktorem je zde v kontextu náhrada skutečných základních energetických zdrojů jinými, které mohou plně uspokojit lidské potřeby.

Uvažované prvky jsou právě takovým zařízením, díky kterému tento aspekt najde nejpravděpodobnější řešení, neboť je možné získat elektrickou energii z čistého paliva s vysokou účinností a bez emisí CO 2 .

Platina vykazuje vysokou aktivitu pro oxidaci vodíku a nadále je nejběžnějším elektrokatalyzátorem. Jednou z hlavních oblastí výzkumu Horizon využívajících palivové články s redukcí platiny je automobilový průmysl, kde se v blízké budoucnosti plánují inženýrské katalyzátory vyrobené z platinových nanočástic podporovaných vodivým uhlíkem. Tyto materiály mají výhodu vysoce rozptýlených nanočástic, velkého elektrokatalytického povrchu (ESA) a minimálního růstu částic při zvýšených teplotách, dokonce i při vyšších úrovních zatížení Pt.

Slitiny obsahující Pt jsou užitečné pro zařízení pracující se specializovanými palivovými zdroji, jako je methanol nebo reformát (H 2, CO 2, CO a N 2 ). Slitiny Pt/Ru vykazovaly lepší výkon ve srovnání s čistými Pt elektrochemickými katalyzátory, pokud jde o oxidaci methanolu a absenci možnosti otravy oxidem uhelnatým. Pt 3 Co je dalším zajímavým katalyzátorem (zejména pro katody palivových článků Horizon) a prokázal zvýšenou účinnost reakce redukce kyslíku a také vysokou stabilitu.

Katalyzátory Pt/C a Pt 3 Co/C vykazují vysoce rozptýlené nanočástice na povrchových uhlíkových substrátech. Při výběru elektrolytu pro palivové články je třeba vzít v úvahu několik klíčových požadavků:

Vysoká protonová vodivost.
Vysoká chemická a tepelná stabilita.
Nízká propustnost plynu.

Vodíkový nosič energie

Vodík je nejjednodušší a nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Je důležitou součástí vody, ropy, zemního plynu a celého živého světa. Navzdory své jednoduchosti a hojnosti se vodík na Zemi vyskytuje jen zřídka v jeho přirozeném plynném stavu. Téměř vždy se kombinuje s dalšími prvky. A mohou být získány z ropy, zemního plynu, biomasy nebo štěpením vody pomocí solární nebo elektrické energie.

Jakmile se vodík vytvoří jako molekulární H2, energie přítomná v molekule se může uvolnit reakcí s O2. Toho lze dosáhnout buď spalovacími motory nebo vodíkovými palivovými články. V nich se energie H 2 přeměňuje na elektrický proud s malými ztrátami výkonu. Vodík je tedy nosičem energie pro pohyb, skladování a dodávání energie vyrobené z jiných zdrojů.

Získání alternativní elementární energie je nemožné bez použití speciálních filtrů. Klasické filtry pomáhají při vývoji modulů napájecích článků po celém světě prostřednictvím vysoce kvalitních bloků. Filtry se dodávají pro přípravu paliv, jako je metanol pro použití v článcích.

Běžné aplikace pro tyto napájecí moduly zahrnují napájení ve vzdálených lokalitách, záložní napájení pro kritické zdroje, APU na malých vozidlech a námořní aplikace, jako je Project Pa-X-ell, což je projekt pro testování článků na osobních lodích.

Pouzdra filtrů z nerezové oceli, která řeší problémy s filtrací. Pro tyto náročné aplikace výrobci palivových článků zero dawn specifikují pouzdra filtrů z nerezové oceli Classic Filters pro flexibilitu výroby, vyšší standardy kvality, rychlé dodání a konkurenceschopné ceny.

Platforma vodíkové technologie

Společnost Horizon Fuel Cell Technologies byla založena v Singapuru v roce 2003 a dnes má 5 mezinárodních dceřiných společností. Posláním firmy je změnit prostředí palivových článků globální prací na rychlé komercializaci, snížení technologických nákladů a odstranění staletí starých překážek dodávek vodíku. Firma začala s malými a jednoduchými produkty, které vyžadují malé množství vodíku při přípravě na větší a složitější aplikace. Podle přísných pokynů a cestovní mapy se společnost Horizon rychle stala největším světovým výrobcem volumetrických článků do 1000 W, které zákazníkům ve více než 65 zemích poskytují nejširší výběr komerčních produktů v oboru.

Technologická platforma Horizon se skládá z: PEM - Horizon zero dawn palivových článků (mikropaliva a zásobníky) a jejich materiálů, dodávky vodíku (elektrolýza, reformování a hydrolýza), vodíkových zařízení a skladování.

Společnost Horizon vydala první přenosnou a osobní stanici HydroFill na světě, která dokáže generovat vodík rozkladem vody v nádrži a jejím uložením do zásobníků HydroStick. Obsahují absorpční slitinu plynného vodíku, která poskytuje pevné uložení. Náboje pak lze vložit do nabíječky MiniPak, která si poradí s malými elementy palivového filtru.

Horizon nebo domácí vodík

Společnost Horizon Technologies uvádí na trh vodíkový nabíjecí a skladovací systém pro domácí použití, který doma ukládá energii pro nabíjení přenosných zařízení. Horizon se v roce 2006 vyznamenala hračkou „H-racer“, malým vozem na vodíkové články, který byl zvolen „nejlepším vynálezem“ roku. Horizon nabízí decentralizované úložiště energie doma se svou vodíkovou nabíjecí stanicí Hydrofill, která je schopna dobíjet malé, přenosné a opakovaně použitelné baterie. Tato vodíková stanice potřebuje k provozu a výrobě energie pouze vodu.

Provoz může být zajištěn sítí, solárními panely nebo větrnou turbínou. Odtud je vodík extrahován z vodní nádrže stanice a uložen v pevné formě v malých článcích z kovové slitiny. Stanice Hydrofill, která se prodává za přibližně 500 USD, je avantgardním řešením pro telefony. Kde najít palivové články Hydrofill za tuto cenu není pro uživatele těžké, stačí se zeptat na příslušnou poptávku na internetu.

Podobně jako elektromobily na baterie, i ty, které jezdí na vodík, využívají k provozu auta elektřinu. Ale místo toho, aby se tato elektřina ukládala do baterií, které se nabíjejí mnoho hodin, články vyrábějí energii přímo na palubě auta pomocí reakce vodíku a kyslíku. Reakce probíhá za přítomnosti elektrolytu – nekovového vodiče, ve kterém je elektrický proud přenášen pohybem iontů v zařízeních, kde jsou nulové palivové články Horizon vybaveny protonovýměnnými membránami. Fungují následovně:

Plynný vodík je přiváděn k anodě „-“ (A) článku a kyslík je směrován na kladný pól.
Na anodě katalyzátor, platina, odhazuje elektrony z atomů vodíku a zanechává „+“ ionty a volné elektrony. Membránou umístěnou mezi nimi procházejí pouze ionty.
Elektrony vytvářejí elektrický proud, když se pohybují vnějším obvodem. Na katodě se elektrony a vodíkové ionty spojují s kyslíkem za vzniku vody, která vytéká z článku.

Až dosud bránily velké výrobě automobilů na vodíkový pohon dvě věci: náklady a výroba vodíku. Donedávna byl platinový katalyzátor, který štěpí vodík na iont a elektron, neúměrně drahý.

Před několika lety stály vodíkové palivové články asi 1 000 dolarů za každý kilowatt energie nebo asi 100 000 dolarů za auto. Byly provedeny různé studie s cílem snížit náklady na projekt, včetně nahrazení platinového katalyzátoru slitinou platina-nikl, která je 90krát účinnější. V loňském roce americké ministerstvo energetiky oznámilo, že náklady na systém klesly na 61 dolarů za kilowatt, což je v automobilovém průmyslu stále nekonkurenceschopné.

Rentgenová počítačová tomografie

Tato nedestruktivní zkušební metoda se používá ke studiu struktury dvouvrstvého prvku. Další metody běžně používané ke studiu struktury jsou:

intruzní porozimetrie rtuti;
mikroskopie atomárních sil;
optická profilometrie.

Výsledky ukazují, že rozdělení pórovitosti má silný základ pro výpočet tepelné a elektrické vodivosti, propustnosti a difúze. Měření pórovitosti prvků je velmi obtížné kvůli jejich tenké, stlačitelné a heterogenní geometrii. Výsledek ukazuje, že poréznost klesá, když je GDL komprimován.

Porézní struktura má významný vliv na přenos hmoty v elektrodě. Experiment byl proveden při různých lisovacích tlacích za tepla, které se pohybovaly od 0,5 do 10 MPa. Výkon závisí především na kovové platině, jejíž cena je velmi vysoká. Difúzi lze zvýšit použitím chemických pojiv. Kromě toho změny teploty ovlivňují životnost a průměrný výkon prvku. Rychlost degradace vysokoteplotních PEMFC je zpočátku nízká a poté se rychle zvyšuje. To se používá ke stanovení tvorby vody.

Problémy komercializace

Aby byly nákladově konkurenceschopné, musí být náklady na palivové články sníženy na polovinu a životnost baterie podobně zvýšena. Dnes jsou však provozní náklady stále mnohem vyšší, náklady na výrobu vodíku se pohybují od 2,5 USD do 3 USD a dodávaný vodík pravděpodobně nebude stát méně než 4 USD/kg. Aby článek mohl účinně konkurovat bateriím, musí být časy nabíjení krátké a proces výměny baterie musí být minimalizován.

V současné době by technologie polymerních palivových článků stála 49 USD za kW, pokud by se vyráběla ve velkém měřítku (alespoň 500 000 jednotek za rok). Aby však mohly konkurovat vozidlům s vnitřním spalováním, musí automobilové palivové články dosáhnout přibližně 36 USD/kW. Úspor lze dosáhnout snížením nákladů na materiál (zejména použitím platiny), zvýšením hustoty výkonu, snížením složitosti systému a zvýšením životnosti. Rozsáhlá komercializace technologie má několik výzev, včetně překonání řady technických překážek.

Technické výzvy budoucnosti

Cena stohu závisí na materiálu, technice a výrobní technologii. Výběr materiálu závisí nejen na vhodnosti materiálu pro danou funkci, ale také na vyrobitelnosti. Klíčové úkoly prvků:

Snížení zátěže elektrokatalyzátoru a zvýšení aktivity.
Zvýšená odolnost a snížená degradace.
Optimalizace konstrukce elektrod.
Zlepšení tolerance nečistot na anodě.
Výběr materiálů pro komponenty. Je založen především na nákladech bez obětování výkonu.
Odolnost proti chybám systému.
Výkon prvku závisí především na síle membrány.

Hlavní parametry GDL, které ovlivňují výkon buněk, jsou propustnost reaktantů, elektrická vodivost, tepelná vodivost a mechanická podpora. Tloušťka GDL je důležitým faktorem. Silnější membrána poskytuje lepší ochranu, mechanickou pevnost, delší difúzní cesty a vyšší úroveň tepelného a elektrického odporu.

Mezi různé typy prvků PEMFC přizpůsobuje více mobilních aplikací (auta, notebooky, mobilní telefony atd.), a proto je stále více zajímavý pro širokou škálu výrobců. Ve skutečnosti má PEMFC mnoho výhod, jako je nízká provozní teplota, stabilní provoz při vysoké proudové hustotě, nízká hmotnost, kompaktnost, potenciál pro nízké náklady a objem, dlouhá životnost, rychlé spuštění a vhodnost pro přerušovaný provoz.

Technologie PEMFC se dobře hodí pro různé velikosti a používá se také s různými palivy, když jsou správně zpracována k výrobě vodíku. Jako takový najde uplatnění od malého subwattového měřítka až po megawattové měřítko. 88 % celkových dodávek v letech 2016-2018 tvořily PEMFC.

Už středověký vědec Paracelsus si při jednom ze svých pokusů všiml, že při kontaktu kyseliny sírové se železem se tvoří vzduchové bubliny. Ve skutečnosti to byl vodík (ale ne vzduch, jak se vědec domníval) – lehký, bezbarvý plyn bez zápachu, který se za určitých podmínek stává výbušným.

V současnostiDIY vodíkové vytápění - velmi běžná věc. Vodík lze skutečně vyrábět v téměř neomezeném množství, hlavní je, že existuje voda a elektřina.

Tento způsob vytápění byl vyvinut jednou z italských společností. Vodíkový kotel funguje bez produkování škodlivého odpadu, a proto je považován za nejekologičtější a nejtišší způsob vytápění domu. Inovace vývoje spočívá v tom, že vědcům se podařilo dosáhnout spalování vodíku při relativně nízké teplotě (asi 300ᵒC), a to umožnilo vyrábět podobné topné kotle z tradičních materiálů.

Kotel při provozu vydává pouze nezávadnou páru a jediné, co vyžaduje náklady, je elektřina. A pokud to zkombinujete se solárními panely (solárním systémem), pak lze tyto náklady zcela snížit na nulu.

Poznámka! Vodíkové kotle se často používají k vytápění systémů podlahového vytápění, které lze snadno instalovat vlastními rukama.

Jak se to všechno děje? Kyslík reaguje s vodíkem a, jak si pamatujeme z hodin chemie na střední škole, tvoří molekuly vody. Reakce je vyvolána katalyzátory, v důsledku čehož se uvolňuje tepelná energie, která zahřívá vodu na přibližně 40 ° C - ideální teplota pro „teplou podlahu“.

Nastavení výkonu kotle umožňuje dosáhnout určité teploty potřebné pro vytápění místnosti daného prostoru. Za zmínku také stojí, že takové kotle jsou považovány za modulární, protože se skládají z několika nezávislých kanálů. V každém z kanálů je výše zmíněný katalyzátor, v důsledku čehož chladivo vstupuje do výměníku tepla, který již dosáhl požadované hodnoty 40°C.

Poznámka! Charakteristickým rysem takového zařízení je, že každý kanál je schopen produkovat jinou teplotu. Jeden z nich tak může být nasměrován na „teplou podlahu“, druhý do sousední místnosti, třetí ke stropu atd.

Hlavní výhody vodíkového ohřevu

Tento způsob vytápění domu má několik významných výhod, které jsou zodpovědné za rostoucí oblibu systému.

Působivá účinnost, často dosahující 96 %.
Šetrnost k životnímu prostředí. Jediným vedlejším produktem uvolňovaným do atmosféry je vodní pára, která v zásadě není schopna poškozovat životní prostředí.
Vodíkové vytápění postupně nahrazuje tradiční systémy, osvobozuje lidi od nutnosti těžit přírodní zdroje – ropu, plyn, uhlí.
Vodík působí bez ohně, tepelná energie vzniká katalytickou reakcí.

Je možné vyrobit si vodíkové vytápění sami?

V zásadě to možné je. Hlavní prvek systému - kotel - může být vytvořen na bázi generátoru NNO, tedy klasického elektrolyzéru. Všichni si pamatujeme školní pokusy, kdy jsme strkali holé dráty připojené k zásuvce pomocí usměrňovače do nádoby s vodou. Chcete-li tedy postavit kotel, budete muset tento experiment zopakovat, ale ve větším měřítku.

Poznámka! Vodíkový kotel se používá s „teplou podlahou“, jak jsme již diskutovali. Uspořádání takového systému je však tématem pro jiný článek, takže se budeme spoléhat na skutečnost, že „teplá podlaha“ je již nainstalována a připravena k použití.

Konstrukce vodíkového hořáku

Začneme vytvářet vodní hořák. Tradičně začneme přípravou potřebných nástrojů a materiálů.

Co bude vyžadováno v práci

Nerezový plech.
Zpětný ventil.
Dva šrouby 6x150, matice a podložky k nim.
Průtokový filtr (z pračky).
Průhledná trubice. K tomu je ideální hladina vody - v obchodech se stavebními materiály se prodává za 350 rublů na 10 m.
Plastová uzavřená nádoba na potraviny o objemu 1,5 litru. Přibližná cena: 150 rublů.
Herringbone fitinky ø8 mm (ty jsou ideální pro hadici).
Bruska na řezání kovu.

Nyní pojďme zjistit, jaký druh nerezové oceli použít. V ideálním případě byste k tomu měli vzít ocel 03H16Н1. Nákup celého plechu „nerezové oceli“ je však někdy velmi drahý, protože produkt o tloušťce 2 mm stojí více než 5 500 rublů a kromě toho je třeba jej nějak dodat. Pokud se vám tedy někde povaluje malý kousek takové oceli (stačí 0,5 x 0,5 m), tak si s tím vystačíte.

Použijeme nerezovou ocel, protože obyčejná ocel, jak víte, začíná ve vodě rezavět. Navíc v našem návrhu hodláme místo vody použít alkálie, to znamená, že prostředí je více než agresivní a běžná ocel pod vlivem elektrického proudu dlouho nevydrží.

Video - hnědý plynový generátor jednoduchý model článku z 16 nerezových desek

Návod na výrobu

První etapa. Chcete-li začít, vezměte ocelový plech a položte jej na rovný povrch. Z listu o rozměrech uvedených výše (0,5 x 0,5 m) byste měli získat 16 obdélníků pro budoucí vodíkový hořák, vyřízněte je bruskou.

Poznámka! Odřízli jsme jeden ze čtyř rohů každé desky. To je nezbytné pro budoucí připojení desek.

Druhá fáze. Na zadní straně desek vyvrtáme otvory pro šroub. Pokud bychom plánovali vyrobit „suchý“ elektrolyzér, vyvrtali bychom otvory zespodu, ale v tomto případě to není nutné. Faktem je, že „suchý“ design je mnohem komplikovanější a užitečná plocha desek v něm by nebyla 100% využita. Vyrobíme si „mokrý“ elektrolyzér – desky budou zcela ponořeny do elektrolytu a celá jejich plocha se bude podílet na reakci.

Třetí etapa. Princip činnosti popsaného hořáku je založen na následujícím: elektrický proud procházející deskami ponořenými v elektrolytu způsobí rozklad vody (měla by být součástí elektrolytu) na kyslík (O) a vodík (H). Proto musíme mít dvě desky současně – katodu a anodu.

S rostoucí plochou těchto desek se zvětšuje objem plynu, takže v tomto případě používáme osm kusů na katodu a anodu.

Poznámka! Hořák, na který se díváme, je paralelní konstrukce, která, upřímně řečeno, není nejúčinnější. Ale je to jednodušší na implementaci.

Čtvrtá etapa. Dále musíme desky nainstalovat do plastové nádoby tak, aby se střídaly: plus, mínus, plus, mínus atd. K izolaci desek použijeme kousky průhledné trubky (koupili jsme jí celých 10 m, takže tam je dodávka).

Z trubičky nastříháme malé kroužky, nastříháme je a získáme proužky o tloušťce přibližně 1 mm. To je ideální vzdálenost pro efektivní generování vodíku ve struktuře.

Pátá etapa. Destičky k sobě připevníme pomocí podložek. Uděláme to následovně: na svorník nasadíme podložku, pak destičku, za ní tři podložky, další destičku, opět tři podložky atd. Osm kusů zavěsíme na katodu, osm na anodu.

Poznámka! To je třeba provést zrcadlově, to znamená, že anodu otočíme o 180ᵒ. Takže „plus“ půjde do mezer mezi „mínusovými“ deskami.

Šestá etapa. Podíváme se, kde přesně šrouby spočívají v nádobě, a vyvrtáme v tomto místě otvory. Pokud se náhle šrouby nevejdou do nádoby, zkrátíme je na požadovanou délku. Poté do otvorů vložíme šrouby, nasadíme podložky a dotáhneme maticemi - pro lepší těsnost.

Dále uděláme v krytu otvor pro tvarovku, zašroubujeme samotnou tvarovku (nejlépe překrytím spoje silikonovým tmelem). Foukáním do armatury zkontrolujte těsnost víka. Pokud zpod něj stále vychází vzduch, pak toto spojení přetřeme tmelem.

Sedmá etapa. Po dokončení montáže hotový generátor otestujeme. Chcete-li to provést, připojte k němu jakýkoli zdroj, naplňte nádobu vodou a zavřete víko. Dále na armaturu nasadíme hadici a spustíme ji do nádoby s vodou (abychom viděli vzduchové bubliny). Pokud zdroj nebude dostatečně výkonný, tak v nádrži nebudou, ale v elektrolyzéru se určitě objeví.

Dále musíme zvýšit intenzitu výstupu plynu zvýšením napětí v elektrolytu. Zde stojí za zmínku, že voda ve své čisté formě není vodič - proud jí prochází kvůli nečistotám a soli přítomným v ní. Ve vodě naředíme trochu alkálie (výborný je např. hydroxid sodný - v obchodech se prodává ve formě čisticího prostředku Krtek).

Poznámka! V této fázi musíme adekvátně posoudit schopnosti zdroje energie, proto před vstřikováním alkálie připojíme k elektrolyzéru ampérmetr – můžeme tak sledovat nárůst proudu.

Video - Topení vodíkem. Vodíkové baterie

Dále si povíme něco o dalších součástech vodíkového hořáku – filtru do pračky a ventilu. Oba jsou na ochranu. Ventil nedovolí zapálenému vodíku proniknout zpět do konstrukce a explodovat plyn nahromaděný pod víkem elektrolyzéru (i když ho tam je jen trochu). Pokud ventil nenainstalujeme, dojde k poškození nádoby a úniku alkálie.

K vytvoření vodního uzávěru bude zapotřebí filtr, který bude fungovat jako bariéra bránící výbuchu. Řemeslníci, kteří jsou z první ruky obeznámeni s konstrukcí domácího vodíkového hořáku, nazývají tento ventil „bulbulátorem“. Ve skutečnosti vytváří ve vodě v podstatě pouze vzduchové bubliny. Pro samotný hořák používáme stejnou průhlednou hadici. To je vše, vodíkový hořák je připraven!

Zbývá jej pouze připojit ke vstupu systému „teplé podlahy“, utěsnit připojení a zahájit přímý provoz.

Jako závěr. Alternativní

Alternativou, i když velmi kontroverzní, je Brownův plyn, chemická sloučenina, která se skládá z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Spalování takového plynu je doprovázeno tvorbou tepelné energie (navíc čtyřikrát výkonnější než u výše popsané konstrukce).

Elektrolyzéry se také používají k vytápění domu hnědým plynem, protože tento způsob výroby tepla je také založen na elektrolýze. Vznikají speciální kotle, ve kterých se vlivem střídavého proudu oddělují molekuly chemických prvků tvořících kýžený Brownův plyn.

Video – Obohacený hnědý plyn

Je docela možné, že inovativní energetické zdroje, jejichž zásoby jsou téměř neomezené, brzy vytlačí neobnovitelné přírodní zdroje a zbaví nás nutnosti trvalé těžby. Tento průběh bude mít pozitivní dopad nejen na životní prostředí, ale i na ekologii planety jako celku.

Přečtěte si také náš článek – parní ohřev udělej si sám.

Video - Vodíkové vytápění

Majitelé patentu RU 2379795:

Vynález se týká přímo působících alkoholových palivových článků využívajících pevné kyselé elektrolyty a katalyzátory vnitřního reformování. Technickým výsledkem vynálezu je zvýšení měrného výkonu a napětí prvku. Podle vynálezu palivový článek obsahuje anodu, katodu, pevný kyselý elektrolyt, vrstvu pro difúzi plynu a katalyzátor vnitřního reformování. Katalyzátor vnitřního reformování může být jakýkoli vhodný reformátor a je umístěn přilehle k anodě. V této konfiguraci je teplo generované při exotermických reakcích na katalyzátoru v palivovém článku a ohmický ohřev elektrolytu palivového článku hnací silou pro endotermickou reformovací reakci paliva převádějící alkoholové palivo na vodík. Lze použít jakékoli alkoholové palivo, jako je metanol nebo etanol. 5 n. a 20 plat f-ly, 4 nemocní.

Oblast techniky

Vynález se týká přímých alkoholových palivových článků využívajících pevné kyselé elektrolyty.

Nejmodernější

Alkoholy byly nedávno intenzivně zkoumány jako potenciální paliva. Zvláště žádoucími palivy jsou alkoholy, jako je methanol a etanol, protože mají hustotu energie pětkrát až sedmkrát větší než standardní stlačený vodík. Například jeden litr metanolu je energeticky ekvivalentní 5,2 litru vodíku stlačeného na 320 atm. Navíc jeden litr etanolu je energeticky ekvivalentní 7,2 litru vodíku stlačeného na 350 atm. Takové alkoholy jsou také žádoucí, protože se s nimi snadno manipuluje, skladují a přepravují.

Metanol a etanol byly předmětem mnoha výzkumů z hlediska alkoholových paliv. Ethanol lze vyrobit fermentací rostlin obsahujících cukr a škrob. Metanol lze vyrábět zplyňováním dřeva nebo dřevního/obilného odpadu (slámy). Syntéza metanolu je však účinnější. Tyto alkoholy jsou mimo jiné obnovitelnými zdroji, a proto se má za to, že hrají důležitou roli jak při snižování emisí skleníkových plynů, tak při snižování závislosti na fosilních palivech.

Palivové články byly navrženy jako zařízení, která přeměňují chemickou energii takových alkoholů na elektrickou energii. V tomto ohledu byly přímé alkoholové palivové články s polymerními elektrolytovými membránami podrobeny intenzivnímu výzkumu. Konkrétně se výzkum zaměřil na přímé metanolové palivové články a přímé etanolové palivové články. Nicméně výzkum přímých etanolových palivových článků byl omezený kvůli relativní obtížnosti oxidace etanolu ve srovnání s oxidací metanolu.

Přes toto rozsáhlé výzkumné úsilí zůstává výkon přímých alkoholových palivových článků neuspokojivý, hlavně kvůli kinetickým omezením způsobeným elektrodovými katalyzátory. Například typické přímé metanolové palivové články mají hustotu výkonu přibližně 50 mW/cm2. Bylo dosaženo vyšších výkonových hustot, jako je 335 mW/cm2, ale pouze za extrémně drsných podmínek (Nafion®, 130 °C, 5 atm kyslíku a 1 M metanol pro průtok 2 cc/min při tlaku 1,8 atm ). Podobně přímý etanolový palivový článek má hustotu výkonu 110 mW/cm2 za podobných extrémně drsných podmínek (Nafion® - oxid křemičitý, 140°C, anoda 4 atm, kyslík 5,5 atm). V souladu s tím existuje potřeba přímých alkoholových palivových článků s vysokou hustotou výkonu při absenci takových extrémních podmínek.

Shrnutí vynálezu

Předkládaný vynález se týká alkoholových palivových článků obsahujících pevné kyselé elektrolyty a používajících vnitřní reformovací katalyzátor. Palivový článek obecně obsahuje anodu, katodu, pevný kyselý elektrolyt a vnitřní reformátor. Reformátor zajišťuje reformování lihového paliva na vodík. Hnací silou reformovací reakce je teplo generované během exotermických reakcí v palivovém článku.

Použití pevných kyselých elektrolytů v palivovém článku umožňuje umístit reformátor přímo vedle anody. To se dříve nepovažovalo za možné kvůli zvýšeným teplotám požadovaným pro účinné fungování známých reformovacích materiálů a tepelné citlivosti typických polymerních elektrolytových membrán. Avšak ve srovnání s konvenčními polymerními elektrolytovými membránami mohou pevné kyselé elektrolyty odolávat mnohem vyšším teplotám, což umožňuje umístit reformátor v blízkosti anody, a tedy blízko elektrolytu. V této konfiguraci je odpadní teplo generované elektrolytem absorbováno reformátorem a slouží jako hnací síla pro endotermickou reformovací reakci.

Stručný popis výkresů

Tyto a další znaky a výhody tohoto vynálezu budou lépe pochopeny s odkazem na následující podrobný popis ve spojení s doprovodnými výkresy, na kterých:

Obrázek 1 je schematické znázornění palivového článku podle jednoho provedení předkládaného vynálezu;

Obrázek 2 je grafické srovnání křivek mezi hustotou výkonu a napětím článku pro palivové články získané podle příkladů 1 a 2 a srovnávacího příkladu 1;

Obrázek 3 je grafické srovnání křivek hustoty výkonu a napětí článku pro palivové články získané podle příkladů 3, 4 a 5 a srovnávacího příkladu 2; A

Obrázek 4 je grafické srovnání hustoty výkonu versus křivky napětí článku pro palivové články získané podle srovnávacích příkladů 2 a 3.

Podrobný popis vynálezu

Předkládaný vynález se týká přímých alkoholových palivových článků obsahujících pevné kyselé elektrolyty a používajících vnitřní reformovací katalyzátor ve fyzickém kontaktu se sestavou membránové elektrody (MEA) navrženou pro reformování alkoholového paliva za účelem výroby vodíku. Jak bylo uvedeno výše, výkon palivových článků, které přeměňují chemickou energii v alkoholech přímo na elektrickou energii, zůstává neuspokojivý kvůli kinetickým omezením způsobeným elektrodovými katalyzátory palivových článků. Je však dobře známo, že tato kinetická omezení jsou výrazně snížena při použití vodíkového paliva. V souladu s tím tento vynález využívá reformovací katalyzátor nebo reformovací zařízení určené k reformování alkoholového paliva za vzniku vodíku, čímž se sníží nebo odstraní kinetická omezení spojená s alkoholovým palivem. Alkoholová paliva se reformují parou podle následujících reakčních příkladů:

Methanol na vodík: CH30H + H20 -> 3H2 + C02;

Ethanol na vodík: C2H5OH+3H20->6H2+2C02.

Reformní reakce je však vysoce endotermická. Proto, aby se získala hnací síla pro reformovací reakci, musí být reformátor zahřátý. Množství požadovaného tepla je typicky přibližně 59 kJ na mol methanolu (ekvivalent spálení přibližně 0,25 molu vodíku) a přibližně 190 kJ na mol ethanolu (ekvivalent spálení přibližně 0,78 molu vodíku).

V důsledku průchodu elektrického proudu při provozu palivových článků vzniká odpadní teplo, jehož efektivní odvod je problematický. Avšak kvůli generování tohoto odpadního tepla je umístění reformátoru přímo vedle palivového článku přirozenou volbou. Tato konfigurace umožňuje přivádění vodíku z reformátoru do palivového článku a chlazení palivového článku a umožňuje palivovému článku zahřívat reformátor a poskytovat hnací sílu pro reakce v něm. Tato konfigurace se používá v palivových článcích s roztaveným uhličitanem a pro reakce reformování metanu probíhající při přibližně 650 °C. Alkoholové reformovací reakce však obecně probíhají při teplotách v rozmezí od asi 200 °C do asi 350 °C a žádný vhodný palivový článek využívající alkoholové reformování nebyl dosud vyvinut.

Předkládaný vynález se týká takového palivového článku využívajícího alkoholové reformování. Jak je znázorněno na OBRÁZKU 1, palivový článek 10 podle tohoto vynálezu obecně obsahuje první kolektorovou/plynovou difúzní vrstvu 12, anodu 12a, druhý proudový kolektor/plynovou difúzní vrstvu 14, katodu 14a, elektrolyt 16, a katalyzátor vnitřního reformování 18. Katalyzátor vnitřního reformování 18 umístěný v blízkosti anody 12a. Přesněji řečeno, reformovací katalyzátor 18 je umístěn mezi první vrstvou 12 pro difúzi plynu a anodou 12a. Může být použit jakýkoli známý vhodný reformovací katalyzátor 18. Neomezující příklady vhodných reformovacích katalyzátorů zahrnují směsi oxidu Cu-Zn-Al, směsi oxidu Cu-Co-Zn-Al a směsi oxidu Cu-Zn-Al-Zr.

Lze použít jakékoli alkoholové palivo, jako je metanol, etanol a propanol. Kromě toho lze jako palivo použít dimethylether.

Historicky nebyla tato konfigurace u alkoholových palivových článků považována za možnou kvůli endotermické povaze reformovací reakce a citlivosti elektrolytu na teplo. Typické alkoholové palivové články používají membrány z polymerního elektrolytu, které nemohou odolat teplu potřebnému k poskytnutí hnací síly pro reformovací katalyzátor. Elektrolyty používané v palivových článcích podle tohoto vynálezu však obsahují pevné kyselé elektrolyty, jako jsou ty popsané v patentu USA č. 6 468 684 s názvem PROTONOVÁ VODÍCÍ MEMBRÁNA POUŽÍVAJÍCÍ PEVNOU KYSELINU, jejíž celý obsah je zde uveden jako odkaz a na současně projednávaná US patentová přihláška sériové č. 10/139043 s názvem PROTONOVÁ VODICÍ MEMBRÁNA POUŽÍVAJÍCÍ PEVNOU KYSELINU, jejíž celý obsah je zde také zahrnut jako odkaz. Jedním neomezujícím příkladem pevné kyseliny vhodné pro použití jako elektrolyt v předkládaném vynálezu je CsH2P04. Pevné kyselé elektrolyty používané v palivových článcích podle tohoto vynálezu mohou odolat mnohem vyšším teplotám, což umožňuje umístit reformovací katalyzátor přímo vedle anody. Kromě toho endotermická reformovací reakce spotřebovává teplo generované exotermickými reakcemi v palivovém článku a vytváří tepelně vyvážený systém.

Tyto pevné kyseliny se používají ve svých superprotických fázích a působí jako protony vodivé membrány v teplotním rozsahu od asi 100 °C do asi 350 °C. Horní hranice tohoto teplotního rozsahu je ideální pro reformování metanolu. Pro zajištění generování tepla dostatečného k poskytnutí hnací síly pro reformovací reakci a pro zajištění protonové vodivosti pevného kyselého elektrolytu je palivový článek podle předkládaného vynálezu výhodně provozován při teplotách v rozmezí od přibližně 100 °C do přibližně 500 °C. Je však výhodnější provozovat palivový článek při teplotách v rozmezí od přibližně 200 °C do přibližně 350 °C. Kromě výrazného zlepšení výkonu alkoholových palivových článků mohou relativně vysoké provozní teploty alkoholových palivových článků podle vynálezu umožnit výměnu drahých kovových katalyzátorů, jako je Pt/Ru a Pt na anodě a katodě, s nižší drahé katalyzátorové materiály.

Následující příklady a srovnávací příklady ilustrují vynikající výkonnostní charakteristiky alkoholových palivových článků podle vynálezu. Tyto příklady jsou však uvedeny pouze pro účely ilustrace a neměly by být vykládány jako omezení vynálezu na tyto příklady.

Příklad 1: Methanolový palivový článek

13 mg/cm2 Pt/Ru bylo použito jako anodový elektrokatalyzátor. Jako katalyzátor vnitřního reformování byl použit Cu (30 % hm.) - Zn (20 % hm.) - Al. 15 mg/cm2 Pt bylo použito jako katodový elektrokatalyzátor. Jako elektrolyt byla použita membrána CsH 2 PO 4 o tloušťce 160 μm. Směsi metanolu a vody přeměněné na páru byly přiváděny do anodového prostoru rychlostí 100 μl/min. Ke katodě byl přiváděn 30% zvlhčený kyslík průtokovou rychlostí 50 cm3/min (standardní teplota a tlak). Poměr methanol:voda byl 25:75. Teplota prvku byla nastavena na 260 °C.

Příklad 2: Ethanolový palivový článek

13 mg/cm2 Pt/Ru bylo použito jako anodový elektrokatalyzátor. Jako katalyzátor vnitřního reformování byl použit Cu (30 % hm.) - Zn (20 % hm.) - Al. 15 mg/cm2 Pt bylo použito jako katodový elektrokatalyzátor. Jako elektrolyt byla použita membrána CsH 2 PO 4 o tloušťce 160 μm. Směsi etanolu a vody přeměněné na páru byly přiváděny do anodového prostoru rychlostí 100 μl/min. Ke katodě byl přiváděn 30% zvlhčený kyslík průtokovou rychlostí 50 cm3/min (standardní teplota a tlak). Poměr ethanol:voda byl 15:85. Teplota prvku byla nastavena na 260 °C.

Srovnávací příklad 1 - Palivový článek používající čistý H2

13 mg/cm2 Pt/Ru bylo použito jako anodový elektrokatalyzátor. 15 mg/cm2 Pt bylo použito jako katodový elektrokatalyzátor. Jako elektrolyt byla použita membrána CsH 2 PO 4 o tloušťce 160 μm. 3% zvlhčený vodík byl přiváděn do anodového prostoru při průtoku 100 μl/min. Ke katodě byl přiváděn 30% zvlhčený kyslík průtokovou rychlostí 50 cm3/min (standardní teplota a tlak). Teplota prvku byla nastavena na 260 °C.

Obrázek 2 ukazuje křivky vztahu mezi měrným výkonem a napětím článku pro příklady 1 a 2 a srovnávací příklad 1. Jak je ukázáno, pro metanolový palivový článek (příklad 1) je dosaženo špičkové hustoty výkonu 69 mW/cm 2, např. etanolový (příklad 2) článek s palivovými články dosahuje špičkové hustoty výkonu 53 mW/cm2 a pro vodíkový palivový článek (srovnávací příklad 1) je dosaženo špičkové hustoty výkonu 80

mW/cm2. Tyto výsledky ukazují, že palivové články získané podle příkladu 1 a srovnávacího příkladu 1 jsou velmi podobné, což ukazuje, že methanolový palivový článek s reformátorem vykazuje výkon téměř stejně dobrý jako vodíkový palivový článek, což je významné zlepšení. Jak je však ukázáno v následujících příkladech a srovnávacích příkladech, zmenšením tloušťky elektrolytu se dosáhne dalšího zvýšení hustoty výkonu.

Palivový článek byl vyroben suspenzní depozicí CsH 2 PO 4 na porézní nerezovou ocelovou podložku, která sloužila jak jako plynová difúzní vrstva, tak jako sběrač proudu. Vrstva katodového elektrokatalyzátoru byla nejprve nanesena na vrstvu difúze plynu a poté zhutněna před nanesením vrstvy elektrolytu. Poté byla nanesena vrstva anodového elektrokatalyzátoru s následným umístěním druhé plynové difúzní elektrody jako finální vrstvy konstrukce.

Jako anodová elektroda byla použita směs CsH2P04, Pt (50 atomových hm. %) Ru, Pt (40 hm %) - Ru (20 hm %) nanesených na C (40 hm %) a naftalenu. Poměr složek ve směsi CsH2P04:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftalen byl 3:3:1:0,5 (hmotn.). Směs byla použita v celkovém množství 50 mg. Zátěž Pt a Ru byla 5,6 mg/cm2 a 2,9 mg/cm2. Plocha anodové elektrody byla 1,74 cm2.

Jako katodová elektroda byla použita směs CsH2P04, Pt, Pt (50 hm. %) nanesená na C (50 hm. %) a naftalenu. Poměr složek ve směsi CsH2PO 4:Pt:Pt-C:naftalen byl 3:3:1:1 (hmotn.). Směs byla použita v celkovém množství 50 mg. Zatížení Pt bylo 7,7 mg/cm2. Katodová plocha byla 2,3-2,9 cm1.

Jako reformovací katalyzátor byl použit CuO (30 hm. %) - ZnO (20 hm. %) - Al 2 O 3, to znamená CuO (31 mol. %) - ZnO (16 mol. %) - Al 2 O 3 . Reformovací katalyzátor byl připraven metodou koprecipitace za použití roztoku dusičnanu mědi, zinku a hlinitého (celková koncentrace kovu byla 1 mol/l) a vodného roztoku uhličitanů sodných (1,1 mol/l). Sraženina byla promyta deionizovanou vodou, filtrována a sušena na vzduchu při 120 °C po dobu 12 hodin. Vysušený prášek v množství 1 g byl lehce slisován na tloušťku 3,1 mm a průměr 15,6 mm a poté kalcinován při 350 °C po dobu 2 hodin.

Jako elektrolyt byla použita membrána CsH 2 PO 4 o tloušťce 47 μm.

Roztok methanol-voda (43 % obj. nebo 37 % hmotn. nebo 25 % mol. nebo 1,85 M methanolu) byl přiváděn přes skleněnou odparku (200 °C) při průtoku 135 ul/min. Teplota prvku byla nastavena na 260 °C.

Palivový článek byl připraven podle příkladu 3 výše s tím rozdílem, že ne směs methanol-voda, ale směs ethanol-voda (36 % obj. nebo 31 % hm.) byla přiváděna přes výparník (200 °C) při průtok 114 μl/min nebo 15 mol.% nebo 0,98 M ethanol).

Palivový článek byl připraven podle příkladu 3 výše s tím rozdílem, že při průtoku 100 μl/min byla místo směsi methanol-voda použita vodka (Absolut Vodka, Švédsko) (40 % obj. nebo 34 % hm., nebo 17 % mol) byl dodán (ethanol).

Srovnávací příklad 2

Palivový článek byl připraven podle příkladu 3 výše, kromě toho, že místo směsi methanol-voda byl použit sušený vodík v množství 100 standardních kubických centimetrů za minutu, zvlhčený horkou vodou (70 °C).

Srovnávací příklad 3

Palivový článek byl připraven podle příkladu 3 výše, kromě toho, že nebyl použit žádný reformovací katalyzátor a teplota článku byla nastavena na 240 °C.

Srovnávací příklad 4

Palivový článek byl připraven podle srovnávacího příkladu 2, kromě toho, že teplota článku byla nastavena na 240 °C.

Obrázek 3 ukazuje křivky hustoty výkonu versus napětí článku pro příklady 3, 4 a 5 a srovnávací příklad 2. Jak je ukázáno, metanolový palivový článek (příklad 3) dosáhl špičkové hustoty výkonu 224 mW/cm2, což představuje významný nárůst výkonu hustota ve srovnání s palivovým článkem získaným podle příkladu 1 a mající mnohem hustší elektrolyt. Tento metanolový palivový článek také vykazuje dramatické zlepšení výkonu ve srovnání s metanolovými palivovými články, které nepoužívají vnitřní reformátor, jak je lépe znázorněno na obrázku 4. Etanolový palivový článek (příklad 4) také vykazuje zvýšenou hustotu výkonu a napětí článku ve srovnání s etanolový palivový článek se silnější elektrolytovou membránou (příklad 2). Ukázalo se však, že metanolový palivový článek (příklad 3) funguje lépe než etanolový palivový článek (příklad 4). Pro vodkový palivový článek (příklad 5) je dosaženo hustoty výkonu srovnatelné s hustotou etanolového palivového článku. Jak je znázorněno na obrázku 3, methanolový palivový článek (příklad 3) vykazuje výkonnostní charakteristiky přibližně stejně dobré jako vodíkový palivový článek (srovnávací příklad 2).

Obrázek 4 ukazuje křivky hustoty výkonu versus napětí článku pro srovnávací příklady 3 a 4. Jak je ukázáno, bezreformovací metanolový palivový článek (srovnávací příklad 3) dosahuje hustoty výkonu, které jsou výrazně nižší než hustoty dosažené u vodíkového palivového článku (srovnávací příklad 4). Kromě toho obrázky 2, 3 a 4 ukazují, že ve srovnání s metanolovým palivovým článkem bez reformátoru (srovnávací příklad 3) je dosaženo výrazně vyšších hustot výkonu u metanolových palivových článků s reformerem (příklady 1 a 3).

Výše uvedený popis byl předložen k představení aktuálně preferovaných provedení vynálezu. Odborníci v příslušném oboru a technologii, kterých se tento vynález týká, pochopí, že na popsaných provedeních mohou být provedeny změny a modifikace, aniž by došlo k významnému odchýlení od principů, rozsahu a ducha tohoto vynálezu. V souladu s tím by se výše uvedený popis neměl chápat tak, že odkazuje pouze na popsaná specifická provedení, ale spíše by měl být chápán tak, že je konzistentní a podporuje následující nároky, které obsahují nejúplnější a nejobjektivnější rozsah vynálezu.

1. Palivový článek obsahující: anodovou elektrokatalytickou vrstvu, katodovou elektrokatalytickou vrstvu, vrstvu elektrolytu obsahující pevnou kyselinu, vrstvu pro difúzi plynu a vnitřní reformovací katalyzátor umístěný přilehle k anodové elektrokatalytické vrstvě tak, že vnitřní reformovací katalyzátor je Nachází se mezi anodovou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou pro difúzi plynu a je ve fyzickém kontaktu s anodovou elektrokatalytickou vrstvou.

2. Palivový článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že pevný kyselý elektrolyt obsahuje CsH2P04.

3. Palivový článek podle nároku 1, vyznačující se tím, že reformovací katalyzátor je vybrán ze skupiny sestávající ze směsí oxidu Cu-Zn-Al, směsí oxidu Cu-Co-Zn-Al a směsí oxidu Cu-Zn-Al-Zr.

4. Způsob provozu palivového článku, včetně:

dodávky paliva; a provozování palivového článku při teplotě v rozmezí od přibližně 100 °C do přibližně 500 °C.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že palivem je alkohol.

6. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že palivo je vybráno ze skupiny sestávající z methanolu, ethanolu, propanolu a dimethyletheru.

7. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že palivový článek je provozován při teplotě v rozmezí od asi 200 °C do asi 350 °C.

8. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že reformovací katalyzátor je vybrán ze skupiny sestávající ze směsí oxidů Cu-Zn-Al, směsí oxidů Cu-Co-Zn-Al a směsí oxidů Cu-Zn-Al-Zr.

9. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že elektrolyt obsahuje pevnou kyselinu.

10. Způsob podle nároku 9, kde pevná kyselina obsahuje CsH2P04.

11. Způsob provozu palivového článku, včetně:
vytvoření anodové elektrokatalytické vrstvy;
vytvoření katodové elektrokatalytické vrstvy;
vytvoření vrstvy elektrolytu obsahující pevnou kyselinu;
vytvoření plynové difúzní vrstvy a
vytvoření katalyzátoru vnitřního reformování v blízkosti anodické elektrokatalytické vrstvy tak, že katalyzátor vnitřního reformování je umístěn mezi anodickou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúze plynu a je ve fyzickém kontaktu s anodickou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávky paliva; a provozování palivového článku při teplotě v rozmezí od přibližně 200 °C do přibližně 350 °C.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že palivem je alkohol.

13. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že palivo je vybráno ze skupiny sestávající z methanolu, ethanolu, propanolu a dimethyletheru.

14. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že reformovací katalyzátor je vybrán ze skupiny sestávající ze směsi oxidů Cu-Zn-Al, směsí oxidů Cu-Co-Zn-Al a směsí oxidů Cu-Zn-Al-Zr. .

15. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že elektrolyt obsahuje pevnou kyselinu.

16. Způsob podle nároku 15, kde pevná kyselina obsahuje CsH2P04.

17. Způsob provozu palivového článku, včetně:
vytvoření anodové elektrokatalytické vrstvy;
vytvoření katodové elektrokatalytické vrstvy;
vytvoření vrstvy elektrolytu obsahující pevnou kyselinu;
vytvoření plynové difúzní vrstvy a
vytvoření katalyzátoru vnitřního reformování v blízkosti anodické elektrokatalytické vrstvy tak, že katalyzátor vnitřního reformování je umístěn mezi anodickou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúze plynu a je ve fyzickém kontaktu s anodickou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka lihového paliva; a provozování palivového článku při teplotě v rozmezí od přibližně 100 °C do přibližně 500 °C.

18. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že palivo je vybráno ze skupiny sestávající z methanolu, ethanolu, propanolu a dimethyletheru.

19. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že palivový článek je provozován při teplotě v rozmezí od přibližně 200 °C do přibližně 350 °C.

20. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že reformovací katalyzátor je vybrán ze skupiny sestávající ze směsí oxidů Cu-Zn-Al, směsí oxidů Cu-Co-Zn-Al a směsí oxidů Cu-Zn-Al-Zr.

21. Způsob podle nároku 17, kde pevný kyselý elektrolyt obsahuje CsH2P04.

22. Způsob provozu palivového článku, včetně:
vytvoření anodové elektrokatalytické vrstvy;
vytvoření katodové elektrokatalytické vrstvy;
vytvoření vrstvy elektrolytu obsahující pevnou kyselinu;
vytvoření plynové difúzní vrstvy a
vytvoření katalyzátoru vnitřního reformování v blízkosti anodické elektrokatalytické vrstvy tak, že katalyzátor vnitřního reformování je umístěn mezi anodickou elektrokatalytickou vrstvou a vrstvou difúze plynu a je ve fyzickém kontaktu s anodickou elektrokatalytickou vrstvou;
dodávka lihového paliva; a provozování palivového článku při teplotě v rozmezí od přibližně 200 °C do přibližně 350 °C.

Vynález se týká přímo působících alkoholových palivových článků využívajících pevné kyselé elektrolyty a katalyzátory vnitřního reformování

Ekologie poznání. Věda a technika: Mobilní elektronika se každým rokem zlepšuje, stává se rozšířenější a dostupnější: PDA, notebooky, mobilní a digitální zařízení, fotorámečky atd. Všechny jsou neustále doplňovány

DIY palivový článek doma

Co jsou palivové články?

Video: Dokument, palivové články pro dopravu: minulost, přítomnost, budoucnost

Palivový článek, často nazývaný elektrochemický generátor, funguje způsobem popsaným níže.

Zdánlivě jednoduchý princip fungování ale není snadné převést do reality.

DIY palivový článek

Bohužel nemáme fotografie, jak by měl tento palivový článek vypadat, spoléháme na vaši fantazii.

Nyní je třeba vyvrtat otvor ve vnější stěně, do kterého je třeba vložit skleněnou odtokovou trubici o průměru 5-6 centimetrů přes gumovou zátku.

Zbývá pouze nabít prvek. K tomu potřebujete vodku, která musí být zředěna vodou 1:1. Poté opatrně přidejte tři sta až tři sta padesát gramů hydroxidu draselného. Pro elektrolyt se 70 gramů hydroxidu draselného rozpustí ve 200 gramech vody.

Palivový článek je připraven k testování. Nyní musíte současně nalít palivo do první komory a elektrolyt do třetí. Voltmetr připojený k elektrodám by měl ukazovat od 07 voltů do 0,9. Pro zajištění nepřetržitého provozu prvku je nutné vyjmout vyhořelé palivo (vypustit do sklenice) a doplnit nové palivo (pryžovou hadičkou). Rychlost posuvu se nastavuje stlačením trubice. Tak vypadá provoz palivového článku v laboratorních podmínkách, jehož výkon je pochopitelně nízký.

Proč je palivový článek zvolen jako alternativní zdroj energie

Už dnes monstra automobilového průmyslu: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard předvádějí autobusy a auta, která jezdí na palivové články, jejichž výkon dosahuje 50 kW. Ale problémy spojené s jejich bezpečností, spolehlivostí a cenou ještě nebyly vyřešeny. Jak již bylo zmíněno, na rozdíl od tradičních zdrojů energie – baterií a akumulátorů, jsou v tomto případě okysličovadlo a palivo přiváděny zvenčí a palivový článek je pouze prostředníkem v probíhající reakci hoření paliva a přeměně uvolněné energie na elektřinu. Ke „spalování“ dochází pouze v případě, že prvek dodává proud do zátěže, jako dieselový elektrický generátor, ale bez generátoru a dieselového motoru a také bez hluku, kouře a přehřívání. Současně je účinnost mnohem vyšší, protože neexistují žádné mezilehlé mechanismy.

Velké naděje se vkládají do využití nanotechnologií a nanomateriálů, které pomohou miniaturizovat palivové články a zároveň zvýšit jejich výkon. Objevily se zprávy, že byly vytvořeny ultraúčinné katalyzátory a také návrhy palivových článků, které nemají membrány. V nich je palivo (například metan) dodáváno do prvku spolu s okysličovadlem. Zajímavá řešení využívají jako okysličovadlo kyslík rozpuštěný ve vzduchu a jako palivo se používají organické nečistoty, které se hromadí ve znečištěných vodách. Jedná se o takzvané biopalivové prvky.

Palivové články se podle odborníků mohou dostat na masový trh v příštích letech. zveřejněno

Přidejte se k nám