Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Stały kwas lepszy od polimeru?

Recommended Posts

Ogniwa paliwowe to najbardziej wydajne urządzenia zamieniające energię chemiczną w elektryczną. Mają jednak kilka wad, a należą do nich m.in. zbyt wysoka temperatura pracy lub niższa temepratura i konieczność zapewnienia ogniwu paliwa o wysokiej czystości.

Kalifornijska firma Superprotonic rozwija ogniwa, które mają pracować w stosunkowo niskich temperaturach i mogą korzystać z nieoczyszczonego wodoru, a ten będzie można pozyskiwać prostymi metodami np. z naturalnego gazu czy etanolu.

W ogniwach paliwowych elektrolit umieszczony jest pomiędzy anodą i katodą. Do anody dostarczany jest wodór, a do katody tlen z powietrza atmosferycznego. Atomy wodoru, przechodząc przez elektrolit ulegają rozbiciu na protony i elektrony. Protony przenikają przez elektrolit, a elektrony są pozyskiwane do obwodu elektrycznego zapewniając energię. W końcu w katodzie dochodzi do ponownego połączenia protonów i elektronów, a że dzieje się to w obecności tlenu, produktem ubocznym jest woda.

Obecnie istnieje kilka typów ogniw paliwowych, które różnią się przede wszystkim rodzajem wykorzystywanego elektrolitu. Najczęściej wykorzystywanym rodzajem ogniwa jest ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC - Polymer Electrolyte Membrane), używane przez przemysł samochodowy. Dostarcza ono sporo mocy na jednostkę powierzchni, jednak do pracy wymaga wody, która ułatwia przenikanie protonów. Skoro potrzebujemy wody w stanie ciekłym, to ogniwo nie może rozgrzewać się powyżej 100 stopni Celsjusza, a więc konieczne są wydajne systemy chłodzenia. Ponadto w niskich temperaturach łatwo może dojść do zanieczyszczenia katalizatora tlenkiem węgla i innymi związkami chemicznymi, tak więc konieczne jest użycie bardzo czystego paliwa.

Z drugiej strony istnieją ogniwa paliwowe, które nie wymagają czystego paliwa, ale po pierwsze do wydajnej pracy potrzebują osiągnięcia odpowiedniej temperatury, a po drugiej - pracują w bardzo wysokich temperaturach (powyżej 500 stopni Celsjusza), co znacznie ogranicza zakres ich użycia.

Przemysł samochodowy szuka więc alternatywy dla PEMFC, a tą może okazać się ogniwo ze stałym kwasem (SAFC - solid acid fuel cell). Stały kwas był po raz pierwszy testowany jako elektrolit w ogniwach w 2001 roku przez naukowców z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech), którzy później założyli firmę Superprotonic.

Początkowo wydawało się, że stałe kwasy nie nadają się do ogniw, gdyż są rozpuszczane w wodzie, a ta pojawia się w reakcji. Jednak badania firmy Superprotonic wykazały, że stałe kwasy nie są rozpuszczane przez parę wodną, a ogniwo SAFC pracuje w temperaturze 100-300 stopni Celsjusza. Przeprowadzone już testy udowodniły, że stały kwas sprawdza się podczas wielodniowego wykorzystywania i wielokrotnego schładzania i podgrzewania ogniwa. Ogniwa SAFC pracują też, co bardzo istotne, z zanieczyszczonym paliwem.

Mają kilka zalet w porównaniu z PEMFC. Jedną z najważniejszych jest fakt, że przez membranę przechodzą tylko i wyłącznie protony, a nie, jak ma to miejsce w PEMFC, również molekuły wody. Ogniwa SAFC pracują przy ciśnieniu około 1 atmosfery (PEMFC wymagają 3 atmosfer), nie wymagają stosowania wymuszonego obiegu wody i wystarczy, by temperaturę ich pracy utrzymać w zakresie 100-300 stopni Celsjusza. Ponadto ich skonstruowanie wymaga zastosowania znacznie mniejszej ilości drogich metali (jak platyna), elektrolit ze stałego kwasu jest tańszy od membrany polimerowej, a drogie grafitowe podzespoły używane w PEMFC można zastąpić tańszymi aluminiowymi. Cała budowa ogniw SAFC jest mniej złożona niż ogniw PEMFC.

Na razie, jako że technologia ogniw ze stałym kwasem jest bardzo młoda, trudno przewidywać jak potoczą się jej losy. Bardzo jednak możliwe, że z czasem ogniwa z polimerową membraną zostaną wyparte z rynku przez ogniwa SAFC. Jednak nawet twórcy nowego ogniwa są ostrożni. Zauważają, że prace nad ogniwami paliwowymi trwają od wielu lat i wciąż nie stworzono technologii, którą opłacałoby się zastosować na szeroką skalę.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Postępy na polu ogniw paliwowych mogą spowodować, że technologia ta będzie na tyle tania, że w niedalekiej przyszłości zastąpi silniki spalinowe, uważają naukowcy z University of Waterloo. Informują oni o powstaniu ogniwa paliwowego, które może pracować co najmniej 10-krotnie dłużej niż dotychczas stosowane technologie. To zaś oznacza, że przy produkcji na skalę masową używanie takich ogniw do zapewniania energii pojazdom może okazać się konkurencyjne cenowo w stosunku do pojazdów z napędem spalinowym.
      Dzięki naszej technologii napęd wykorzystujący ogniwa paliwowe może być porównywalny kosztowo lub tańszy niż napęd spalinowy. Z nadzieją patrzymy w przyszłość. To technologia, która może rozpowszechnić czyste napędy, mówi Xinguo Li, dyrektor Fuel Cell and Green Energy Lab na University of Waterloo.
      Obecnie stosowane ogniwa paliwowe mogłyby teoretycznie zastąpić paliwa kopalne w napędach pojazdów, jednak się zbyt drogie. Kanadyjscy naukowcy rozwiązali problem kosztów znacząco wydłużając żywotność ogniwa poprzez produkowanie stałych ilości energii. To zaś oznacza, że ogniwo, które produkuje energię z reakcji łączenia tlenu i wodoru, może być znacząco prostsze, a zatem i tańsze.
      Znaleźliśmy sposób na obniżenie kosztów przy jednoczesnym spełnieniu założeń co do wydajności i trwałości, cieszy się Li. Kanadyjczycy mają nadzieję, że dzięki ich technologii ogniwa paliwowe zaczną się upowszechniać i z czasem zastąpią zarówno samochody spalinowe jak i standardowe pojazdy elektryczne.
      To dobry pierwszy krok, zmiana, która może być odpowiedzią na problemy związane ze spalaniem paliw kopalnych przez transport, dodaje uczony.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Uniwersytecie Josepha Fouriera w Grenoble powstało ogniwo paliwowe zasilane glukozą i tlenem pochodzącymi z organizmu żywej istoty. Naukowcy pracujący pod kierunkiem doktora Serge'a Cosniera wszczepili je zwierzęciu laboratoryjnemu.
      Niewykluczone zatem, że w ciągu najbliższych dwóch dekad pojawią się ogniwa, które będzie można wszczepiać ludziom, a które zasilą najróżniejsze wykorzystywane przez nas urządzenia. Najbardziej oczywistym zastosowaniem dla takich ogniw jest zapewnienie energii implantom. Dzięki postępom medycyny i techniki powstają coraz nowocześniejsze implanty, z których wiele wymaga zasilania.
      Nawet w rozrusznikach serca, wymagających niewiele energii, baterie trzeba wymieniać co 5 lat. Tymczasem co piąty 70-latek, któremu wszczepiono rozrusznik, żyje przez kolejne 20 lat. To oznacza konieczność przeprowadzenia 3 kosztownych i ryzykownych zabiegów chirurgicznych związanych z wymianą baterii.
      W przyszłości mogą powstać sztuczne nerki, kończyny czy oczy, które będą potrzebowały znacznie więcej energii niż rozruszniki. Chirurgiczna wymiana baterii co kilka miesięcy będzie obarczona zbyt wysokimi kosztami i ryzykiem.
      Stworzenie ogniwa paliwowego, które może korzystać ze znajdujących się w organizmie substancji to krok w odpowiednią stronę.
      Wspomniane ogniwo jest stosunkowo proste. Składa się z dwóch elektrod. Zadaniem jednej jest usuwanie elektronów z glukozy, zadaniem drugiej - przekazywanie elektronów do molekuł tlenu i wodoru. Połączenie elektrod tworzy obwód, którym płynie prąd.
      Zarówno glukoza jak i tlen są łatwo dostępne w organizmie człowieka. Teoretycznie takie ogniwo mogłoby pracować przez całe życie osoby je posiadającej.
      Idea produkcji energii z glukozy i tlenu znajdujących się w płynach fizjologicznych narodziła się w latach 70. ubiegłego wieku. Stworzone wówczas ogniwa zapewniały jednak zbyt mało energii.
      Obecnie zbudowano wydajne ogniwo, a przyczyniły się do tego badania nad... enzymami. Okazało się bowiem, że oksydaza glukozy bardzo dobrze radzi sobie z usuwaniem elektronów z glukozy. Jest bardzo efektywna w generowaniu elektronów - mówi profesor Itamar Willner z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, który w 2002 roku stwierdził, iż postępy w biotechnologii pozwolą pewnego dnia na stworzenie efektywnego ogniwa paliwowego zasilanego płynami ustrojowymi.
      Doktor Cosnier i jego grupa postanowili wykorzystać biotechnologię oraz odkrycia w dziedzinie węglowych nanorurek. Zdecydowali, że nadszedł czas, by spróbować stworzyć ogniwo.
      W ubiegłym roku wszczepili takie urządzenie szczurowi. Znajdowało się ono w ciele zwierzęcia przez 40 dni. W tym czasie pracowało bez najmniejszych zakłóceń, produkowało prąd i nie zauważono żadnych - ani fizjologicznych ani behawioralnych - skutków ubocznych u zwierzęcia.
      Uczeni stworzyli prosty system. Jedna z elektrod składa się z pasty z węglowych nanorurek wymieszanej z oksydazą glukozy, a druga z glukozy i oksydazy polifenolu. W elektrodach znajduje się platynowe okablowanie przekazujące energię elektryczną. elektrody zamknięto w specjalnym materiale, które ma uniemożliwić przenikanie materiałów z których są zbudowane do organizmu.
      Całość dodatkowo owinięto materiałem, który zabezpiecza ogniwo przed odrzuceniem przez organizm.
      Doktor Cosnier zauważa, że szczur jest zbyt mały, by wyprodukować ilość energii wystarczającą do zasilenie implantu. Dlatego planuje w przyszłości wszczepić swoje urządzenie krowie.
      Przed naukowcami jest jeszcze dużo pracy. Cosnier zdaje sobie z tego sprawę. Dzisiaj możemy wygenerować tyle energii, by zasilić sztuczny mięsień zwieracza lub rozrusznik serca. Już w tej chwili pracujemy nad systemem, który wyprodukuje 50-krotnie więcej energii, co pozwoli na zasilanie znacznie bardziej wymagających urządzeń - stwierdza.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Na Pennsylvania State University powstało ogniwo paliwowe produkujące wodór z materii organicznej. Nie wymaga ono użycia zewnętrznego zasilania i nie emituje do atmosfery związków węgla.
      Ten system może produkować wodór w każdym miejscu, w którym woda morska występuje w pobliżu ścieków. Nie jest do tego potrzebna sieć elektryczna, a całość jest neutralna pod względem emisji węgla. To niewyczerpane źródło energii - mówi profesor Bruce E. Logan.
      W nowym ogniwie zachodzi elektroliza, w której biorą udział mikroorganizmy produkujące wodór z materii organicznej. Już wcześniej przeprowadzano tego typu elektrolizę, jednak za każdym razem ogniwo paliwowe wymagało zewnętrznego zasilania. Teraz Logan i jego współpracownik, doktor Younggy Kim, wykorzystali różnicę w zasoleniu wody morskiej i słodkiej do uzyskania dodatkowej energii potrzebnej w całym procesie.
      Wyniki ich badań, opublikowanych w Proceedings of the National Academy of Sciences pokazują, że czysty wodór może być efektywnie produkowany z niewyczerpanych zasobów wody morskiej i wody słodkiej z dodatkiem biodegradowalnej materii organicznej.
      Efektywność ogniw wynosi 58-64 procent, co pozwala na uzyskanie 0,8 do 1,6 metra sześciennego wodoru z każdego metra sześciennego wprowadzonego płynu. Naukowcy szacują, że do przepompowywania wody w systemie zużywane jest tylko 1% produkowanej przezeń energii.
      Kluczem do sukcesu było wykorzystanie odwróconej elektrodializy (OED), która pozwala na pozyskanie energii z różnicy potencjałów pomiędzy wodą słodką a słoną. Już wcześniej proponowano pozyskiwanie energii z licznych membran OED, jednak okazały się one niepraktyczne. Membrany OED do hydrolizy wody potrzebują napięcia 1,8 wolta, co wymagałoby użycia aż 25 par membran. Logan wpadł na pomysł wykorzystania w jednym systemie membran oraz bakterii wytwarzających prąd z materii organicznej, co pozwoliło na zmniejszenie liczy par membran do zaledwie pięciu.
      W roli katalizatora została użyta platyna, jednak badania już wykazały, że możliwe jest też wykorzystanie siarczku molibdenu. Wówczas jednak wydajność systemu spada do 51%.
      Prace Logana były finansowane przez KAUST.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zdaniem firmy Pike Research, która specjalizuje się w globalnych analizach rynków czystych technologii, do roku 2020 na całym świecie będzie sprzedawanych rocznie 670 000 samochodów z ogniwami paliwowymi. Najwięcej, bo 134 000, będzie sprzedawanych w USA. Drugim pod względem wielkości będzie rynek chiński z ponad 129 000 takich pojazdów. Niemcy będą kupowali ich o 1000 mniej.
      Wielu specjalistów nie wierzy w te prognozy, nazywając je zbyt optymistycznymi. Wątpią bowiem, czy w ciągu 10 lat liczba stacji, na których będzie można "zatankować" taki samochód, będzie na tyle duża, by klienci chcieli powszechnie używać tego typu pojazdów.
      Analitycy Pike Research zauważają jednak, że kilku wielkich producentów, takich jak Toyota, GM czy Honda obiecuje, że do roku 2015 rozpoczną sprzedaż własnych samochodów z ogniwami paliwowymi. Ponadto Honda obiecuje, że w ciągu pięciu lat na rynek trafi domowy system produkcji wodoru. Ma on pasować do przeciętnego amerykańskiego domu jednorodzinnego, którego właściciel będzie musiał ułożyć na dachu panele słoneczne i wykorzysta wodę do pozyskiwania wodoru. System ma być na tyle wydajny, że zapewni paliwo dla typowego amerykańskiego kierowcy, który średnio przejeżdża około 10 000 mil rocznie.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Singapurska firma Horizon Fuel Cell Technologies przygotowała osobiste ogniwo paliwowe, które może zasilać gadżety korzystając przy tym z wody. Urządzenie MiniPak jest w stanie dostarczyć od 1,5 do 2 watów mocy. Ładowanie gadżetów odbywa się za pomocą kabla USB, a pojedyncze tankowanie kartridża pozwala na przechowanie 12 watogodzin.
      Urządzenie wykorzystuje ogniwa PEM oraz nowy tani wodorek metalu, który przechowuje wodór w formie nietoksycznej i niepoddanej zwiększonemu ciśnieniu. Kartridż MiniPaka zawiera rodzaj metalicznej gąbki, która wchłania wodór i przechowuje go w formie stałego wodorku metalu. W miarę potrzeby wodór jest uwalniany i wytwarzana jest z niego energia. Do jej produkcji wykorzystywany jest tlen z otoczenia.
      Obecnie za MiniPaka trzeba zapłacić 99 dolarów. Singapurska firma jest jednak przekonana, że gdy produkcja wzrośnie, będzie w stanie obniżyć cenę do 29 USD. Dodatkowe kartridże na wodę będą sprzedawane w cenie zwykłych baterii alkalicznych.
×
×
  • Create New...