Vetyvirtalähde. Polttoaineelementit. Polttokennojen toimintaperiaate

Polttokenno (Fuel Cell) - kemiallisen potentiaalienergian (energian) muunnin molekyylisidoksia) sähköksi. Laite sisältää työkennon, jossa polttoaineena on kaasumainen vety (H 2) ja happi (O 2). Solun sisällä tapahtuvan reaktion tuotteet ovat vesi, sähkö ja lämpö. Teknologisesti polttokennoja olisi pidettävä moottoreita edistyneempinä järjestelminä. sisäinen palaminen, hiilivoimaloita ja jopa ydinvoimaloita, jotka päästävät haitallisia sivutuotteita.

Koska ilmakehässä on runsaasti happea, jäljellä on vain lisätä vetyä polttokennoon. Tämä aine on melko helppo saada elektrolyysiprosessilla samannimisessä laitteessa, jota kutsutaan elektrolysaattoriksi.

Mikä on elektrolyysilaite ja miten se toimii?

Sähkökemiallinen laite, jota käytetään erottamaan molekyylejä niiden muodostaviksi atomeiksi sähköä. Elektrolysaattoreita käytetään laajalti veden erottamiseen vedyksi ja hapeksi.

Elektrolyysitekniikka on lupaavin tapa tuottaa erittäin puhdasta vetyä (99,999 %) korkean hyötysuhteensa ja nopean dynaamisen vasteen ansiosta verrattuna joihinkin muihin menetelmiin.

Elektrolyysillä saatu vety on laadullisesti puhdasta ja siksi soveltuu hyvin käytettäväksi polttokennossa.

Millaisia ​​elektrolyysilaitteita on kehitetty?

Polttokennojen tavoin elektrolysaattorit rakennetaan kahden elektrodin ja elektrodien väliin sijoitetun ioneja johtavan elektrolyytin pohjalta. Tällaiset laitteet eroavat käytetyn elektrolyytin tyypistä.

Elektrolysaattorin rakennekaavio ja ulkomuoto yksi teollisista vaihtoehdoista: 1 - katalyyttikerros; 2 – kaasun diffuusiokerros; 3 - bipolaarinen levy; 4 – protoninvaihtokalvo; 5 - tiiviste

On kehitetty useita erilaisia ​​elektrolyysilaitteita, jotka ovat jo käytössä tai ovat toteutusvaiheessa. Kaksi yleisintä vetyä tuottavaa elektrolysaattorityyppiä ovat:

1. Alkalinen elektrolyysilaite.
2. Kalvoelektrolysaattori.

Alkalinen elektrolyysilaite

Tällainen laite toimii nestemäisellä emäksisellä elektrolyytillä (yleensä 30 % KOH). Alkaliset elektrolysaattorit on rakennettu halvoille metalleille (), jotka toimivat katalysaattorina ja niillä on melko luotettava rakenne.

Alkaliset elektrolysaattorit tuottavat 99,8 % puhdasta vetyä, toimivat suhteellisen alhaisessa lämpötilassa ja näyttävät korkeatasoinen esitys. Työpaine asennuksissa voi olla 30 ATI. Käytön aikana virrantiheys säilyy alhaisena.

Protoninvaihtokalvo (POM) elektrolysaattori

Katalyytti sisältää huokoinen rakenne, joten platinan pinta-ala on mahdollisimman alttiina vedylle tai hapelle. Katalyytin platinapinnoitettu puoli on POM:ia päin.

Kuinka polttokenno toimii?

Eräänlainen polttokennokennon ”sydän” on protoninvaihtokalvo (POM). Tämä komponentti sallii protonien kulkemisen lähes esteettömästi, mutta estää elektroneja.

Siten, kun vety tulee katalyyttiin ja jakautuu protoneiksi ja elektroneiksi, protonit menevät suoraan katodipuolelle ja elektronit seuraavat ulkoisen sähköpiirin läpi.

Näin ollen matkan varrella elektronit tekevät hyödyllistä työtä:

• sytytä sähkölamppu
• pyöritä moottorin akselia
• lataa akku jne.

Vain seuraamalla tätä polkua elektronit yhdistyvät protonien ja hapen kanssa solun toisella puolella tuottaakseen vettä.

Kaikki nämä reaktiot tapahtuvat niin sanotussa yksisolupinossa. Käytännössä sitä yleensä käytetään koko järjestelmä pääkomponentin ympärillä, joka on pino useita soluja.

Pino on rakennettu moduuliin, joka koostuu osista:

• polttoaineen, veden ja ilman hallinta,
• jäähdytyslaitteet,
• kylmäaineen hallintaohjelmisto.

Tämä moduuli integroidaan sitten täydelliseksi järjestelmään, jota voidaan käyttää erilaisiin sovelluksiin.

Vedyn korkean energiasisällön ja polttokennojen korkean hyötysuhteen (55 %) ansiosta tekniikkaa voidaan käyttää useilla aloilla.

Esimerkiksi varavirtalähteenä sähköntuotannossa, kun pääsähköverkko on poikki.

Tekniikan ilmeiset edut

Muuntamalla kemiallista potentiaalienergiaa suoraan sähköenergiaksi, polttokennot poistavat "termiset pullonkaulat" (termodynamiikan toinen pääsääntö).

Siksi tätä tekniikkaa pidetään luonteeltaan tehokkaampana kuin perinteiset polttomoottorit.

Joten polttomoottoripiiri muuntaa aluksi kemiallisen potentiaalienergian lämmöksi, ja vasta sitten saadaan mekaanista työtä.

Polttokennojen suorat päästöt ovat pelkkää vettä ja jonkin verran lämpöä. Tässä on merkittävä parannus verrattuna samoihin polttomoottoreihin, jotka muun muassa päästävät myös kasvihuonekaasuja.

Polttokennoille on ominaista liikkuvien osien puuttuminen. Tällaisille malleille on aina ollut ominaista lisääntynyt luotettavuus perinteisiin moottoreihin verrattuna.

Vetyä tuotetaan ympäristöystävällisellä tavalla, kun taas öljytuotteiden louhinta ja jalostus ovat erittäin vaarallisia teknologisen tuotannon kannalta.

polttoainekenno on sähkökemiallinen laite, joka on samanlainen kuin galvaaninen kenno, mutta eroaa siitä sähkölle tarkoitettujen aineiden suhteen kemiallinen reaktio syötetään siihen ulkopuolelta - toisin kuin galvaaniseen kennoon tai akkuun varastoitunut rajoitettu energiamäärä.

Riisi. 1. Jotkut polttokennot

Polttokennot muuttavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ohittaen tehottomia palamisprosesseja, jotka tapahtuvat suurilla häviöillä. Kemiallisen reaktion seurauksena ne muuttavat vedyn ja hapen sähköksi. Tämän prosessin seurauksena muodostuu vettä ja vapautuu suuri määrä lämpöä. Polttokenno on hyvin samanlainen kuin akku, joka voidaan ladata ja käyttää sitten sähköenergian varastointiin. Polttokennon keksijä on William R. Grove, joka keksi sen jo vuonna 1839. Tässä polttokennossa käytettiin elektrolyyttinä rikkihapon liuosta ja polttoaineena vetyä, joka yhdistettiin hapen kanssa hapetusväliaineessa. Viime aikoihin asti polttokennoja käytettiin vain laboratorioissa ja avaruusaluksissa.

Riisi. 2.

Toisin kuin muut generaattorit, kuten polttomoottorit tai kaasulla, hiilellä, öljyllä jne. toimivat turbiinit, polttokennot eivät polta polttoainetta. Tämä tarkoittaa, että ei meluisia korkeapaineroottoreita, ei kovaa pakokaasuääntä, ei tärinää. Polttokennot tuottavat sähköä hiljaisen sähkökemiallisen reaktion kautta. Toinen polttokennojen ominaisuus on, että ne muuttavat polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi, lämmöksi ja vedeksi.

Polttokennot ovat erittäin tehokkaita eivätkä tuota suuri numero kasvihuonekaasut, kuten hiilidioksidi, metaani ja typpioksiduuli. Ainoat polttokennojen käytön aikana vapautuvat tuotteet ovat vesi höyryn muodossa ja pieni määrä höyryä hiilidioksidi, joka ei vapaudu lainkaan, jos polttoaineena käytetään puhdasta vetyä. Polttokennot kootaan kokoonpanoiksi ja sitten erillisiksi toimintamoduuleiksi.

Polttokennoissa ei ole liikkuvia osia (ei ainakaan itse kennon sisällä), eivätkä ne siksi noudata Carnot'n lakia. Toisin sanoen niiden tehokkuus on yli 50 % ja ne ovat erityisen tehokkaita pienillä kuormilla. Näin ollen polttokennoajoneuvot voivat olla (ja on jo todistettu olevan) polttoainetehokkaampia kuin perinteiset ajoneuvot todellisissa ajo-olosuhteissa.

Polttokenno tuottaa tasavirtaa, jota voidaan käyttää sähkömoottorin, valaisimien ja muiden ajoneuvon sähköjärjestelmien ohjaamiseen.

Polttokennoja on useita tyyppejä, jotka eroavat käytetyistä kemiallisista prosesseista. Polttokennot luokitellaan yleensä käytetyn elektrolyytin tyypin mukaan.

Jotkut polttokennotyypit ovat lupaavia käytettäväksi voimalaitoksissa, kun taas toiset ovat kannettavissa laitteissa tai autoissa.

1. Alkalipolttokennot (AFC)

Alkalinen polttokenno- Tämä on yksi ensimmäisistä kehitetyistä elementeistä. Alkaliset polttokennot (ALFC) ovat yksi tutkituimmista tekniikoista, joita NASA on käyttänyt 1960-luvun puolivälistä lähtien Apollo- ja Space Shuttle -ohjelmissa. Näiden kyytiin avaruusaluksia polttokennot tuottavat sähköä ja juomavettä.

Riisi. 3.

Alkalipolttokennot ovat yksi tehokkaimmista sähköntuotantoon käytetyistä elementeistä, ja sähköntuotannon hyötysuhde on jopa 70 %.

Alkaliset polttokennot käyttävät elektrolyyttiä, ts. vesiliuosta kaliumhydroksidi, joka sisältyy huokoiseen stabiloituun matriisiin. Kaliumhydroksidin pitoisuus voi vaihdella polttokennon käyttölämpötilan mukaan, joka vaihtelee välillä 65°C - 220°C. Varauksen kantaja SFC:ssä on hydroksidi-ioni (OH-), joka siirtyy katodilta anodille, jossa se reagoi vedyn kanssa muodostaen vettä ja elektroneja. Anodilla tuotettu vesi siirtyy takaisin katodille ja tuottaa siellä taas hydroksidi-ioneja. Tämän polttokennossa tapahtuvan reaktiosarjan seurauksena syntyy sähköä ja sivutuotteena lämpöä:

Anodireaktio: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reaktio katodilla: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Järjestelmän yleinen reaktio: 2H2 + O2 => 2H2O

SFC-kennojen etuna on se, että nämä polttokennot ovat halvimpia valmistaa, koska elektrodeille tarvittava katalyytti voi olla mitä tahansa aineita, jotka ovat halvempia kuin muiden polttokennojen katalyytteinä käytetyt. Lisäksi SFC:t toimivat suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja ovat tehokkaimpia.

Yksi SFC:n ominaispiirteistä on sen korkea herkkyys CO2:lle, joka voi olla polttoaineessa tai ilmassa. CO2 reagoi elektrolyytin kanssa, myrkyttää sen nopeasti ja heikentää huomattavasti polttokennon tehokkuutta. Siksi SFC:iden käyttö rajoittuu suljettuihin tiloihin, kuten avaruus- ja vedenalaisiin ajoneuvoihin, ne toimivat puhtaalla vedyllä ja hapella.

2. Karbonaattisulatetut polttokennot (MCFC)

Polttokennot, joissa on sulaa karbonaattielektrolyyttiä ovat korkean lämpötilan polttokennoja. Korkea käyttölämpötila mahdollistaa maakaasun suoran käytön ilman polttoaineprosessoria ja matalalämpöarvoista polttokaasua prosessipolttoaineista ja muista lähteistä. Tämä prosessi kehitettiin 1960-luvun puolivälissä. Siitä lähtien valmistustekniikkaa, suorituskykyä ja luotettavuutta on parannettu.

Riisi. 4.

RCFC:n toiminta eroaa muista polttokennoista. Nämä kennot käyttävät elektrolyyttiä sulan karbonaattisuolojen seoksesta. Tällä hetkellä käytetään kahden tyyppisiä seoksia: litiumkarbonaattia ja kaliumkarbonaattia tai litiumkarbonaattia ja natriumkarbonaattia. Voit sulattaa karbonaattisuolat ja saavuttaa korkea aste ionien liikkuvuus elektrolyytissä, polttokennot, joissa on sulaa karbonaattielektrolyyttiä, toimivat korkeissa lämpötiloissa (650 °C). Tehokkuus vaihtelee välillä 60-80 %.

Kuumennettaessa 650 °C:n lämpötilaan suoloista tulee karbonaatti-ionien (CO32-) johtimia. Nämä ionit kulkevat katodilta anodille, jossa ne yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen vettä, hiilidioksidia ja vapaita elektroneja. Nämä elektronit lähetetään ulkoa pitkin virtapiiri takaisin katodille, jolloin syntyy sähkövirtaa ja lämpöä sivutuotteena.

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

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

Yleinen alkuainereaktio: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(katodi) => H2O(g) + CO2(anodi)

Sulan karbonkorkeilla käyttölämpötiloilla on tiettyjä etuja. Etuna on kyky käyttää vakiomateriaaleja (ruostumaton teräslevy ja nikkelikatalyytti elektrodeissa). Hukkalämmöstä voidaan tuottaa korkeapaineista höyryä. Korkeilla reaktiolämpötiloilla elektrolyytissä on myös etunsa. Korkeiden lämpötilojen käytössä kestää kauan saavuttaa optimaaliset käyttöolosuhteet ja järjestelmä reagoi hitaammin energiankulutuksen muutoksiin. Nämä ominaisuudet mahdollistavat sulan karbonaattielektrolyytin sisältävien polttokennojärjestelmien käytön tasaisen tehon olosuhteissa. Korkeat lämpötilat estävät polttokennoa vahingoittamasta hiilimonoksidia, "myrkytys" jne.

Sulat karbonaattipolttokennot soveltuvat käytettäväksi suurissa kiinteissä asennuksissa. Teollisesti tuotetut lämpövoimalaitokset teholla Sähkövoima 2,8 MW. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

3. Fosforihappoon (PFC) perustuvat polttokennot

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvat polttokennot tuli ensimmäiset polttokennot kaupalliseen käyttöön. Tämä prosessi kehitettiin XX-luvun 60-luvun puolivälissä, testejä on tehty XX-luvun 70-luvulta lähtien. Tämän seurauksena vakaus ja suorituskyky ovat lisääntyneet ja kustannukset ovat laskeneet.

Riisi. 5.

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvissa polttokennoissa käytetään ortofosforihappoon (H3PO4) perustuvaa elektrolyyttiä, jonka pitoisuus on jopa 100 %. Fosforihapon ioninjohtavuus on alhainen matalat lämpötilat, joten näitä polttokennoja käytetään 150-220 °C:n lämpötiloissa.

Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on vety (H+, protoni). Samanlainen prosessi tapahtuu pr(MEFC), joissa anodille syötetty vety jaetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät katodilla ilmasta tulevan hapen kanssa muodostaen vettä. Elektronit ohjataan ulkoista sähköpiiriä pitkin ja syntyy sähkövirta. Alla on reaktiot, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä.

Anodireaktio: 2H2 => 4H+ + 4e

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

Yleinen alkuainereaktio: 2H2 + O2 => 2H2O

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen hyötysuhde on yli 40 % sähköenergian tuotannossa. Lämmön ja sähkön yhteistuotannossa kokonaishyötysuhde on noin 85 %. Lisäksi hukkalämpöä voidaan käyttölämpötiloissa käyttää veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen ilmakehän paineessa.

Fosfori- (ortofosfori)happopohjaisten polttokennojen lämpövoimalaitosten korkea suorituskyky lämmön ja sähkön yhteistuotannossa on yksi tämäntyyppisten polttokennojen eduista. Laitokset käyttävät hiilimonoksidia noin 1,5 %:n pitoisuutena, mikä laajentaa huomattavasti polttoainevalikoimaa. Yksinkertainen rakenne, alhainen elektrolyytin haihtuvuus ja lisääntynyt stabiilisuus ovat myös tällaisten polttokennojen etuja.

Teollisesti tuotetaan lämpövoimaloita, joiden sähköteho on jopa 400 kW. 11 MW:n laitokset ovat läpäisseet asiaankuuluvat testit. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

4. Polttokennot protoninvaihtokalvolla (MOFEC)

Polttokennot protoninvaihtokalvolla katsotaan olevan paras polttokennotyyppi ajoneuvojen sähköntuotannossa, joka voi korvata bensiini- ja dieselpolttomoottorit. NASA käytti näitä polttokennoja ensimmäisenä Gemini-ohjelmassa. MOPFC-asennukset teholla 1 W - 2 kW on kehitetty ja esitetty.

Riisi. 6.

Näiden polttokennojen elektrolyytti on kiinteä polymeerikalvo (ohut muovikalvo). Kun tämä polymeeri on kyllästetty vedellä, se läpäisee protonit, mutta ei johda elektroneja.

Polttoaine on vety ja varauksenkantaja vetyioni (protoni). Anodilla vetymolekyyli erotetaan vetyioniksi (protoniksi) ja elektroneiksi. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi katodille, kun taas elektronit liikkuvat ulkokehän ympäri ja tuottavat sähköenergiaa. Happi, joka otetaan ilmasta, syötetään katodille ja yhdistyy elektronien ja vetyionien kanssa muodostaen vettä. Seuraavat reaktiot tapahtuvat elektrodeilla: Anodireaktio: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eKatonireaktio: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Kennojen kokonaisreaktio: 2H2 + O2 => 2H2O Verrattuna muihin polttokennoihin, polttokennoihin protoninvaihtokalvolla tuottaa enemmän energiaa polttokennon tietylle tilavuudelle tai painolle. Tämän ominaisuuden ansiosta ne ovat kompakteja ja kevyitä. Lisäksi käyttölämpötila on alle 100°C, mikä mahdollistaa nopean käytön. Nämä ominaisuudet sekä kyky muuttaa nopeasti energiatehokkuutta ovat vain joitakin ominaisuuksia, jotka tekevät näistä polttokennoista ensiluokkaisen ehdokkaan käytettäväksi ajoneuvoissa.

Toinen etu on, että elektrolyytti on kiinteää eikä nestemäistä. Kiinteällä elektrolyytillä on helpompi pitää kaasut katodilla ja anodilla, joten tällaiset polttokennot ovat halvempia valmistaa. Kiinteää elektrolyyttiä käytettäessä ei ole vaikeuksia, kuten orientaatio, ja vähemmän ongelmia korroosion esiintymisen vuoksi, mikä lisää kennon ja sen komponenttien kestävyyttä.

Riisi. 7.

5. Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC)

Kiinteät oksidipolttokennot ovat polttokennoja, joiden käyttölämpötila on korkein. Käyttölämpötila voi vaihdella 600°C - 1000°C, mikä mahdollistaa erityyppisten polttoaineiden käytön ilman erityistä esikäsittelyä. Näiden korkeiden lämpötilojen käsittelemiseksi elektrolyyttinä käytetään ohutta keraamipohjaista kiinteää metallioksidia, usein yttriumin ja zirkoniumin seosta, joka on happi- (O2-)-ionien johde. Kiinteiden oksidien polttokennojen käyttötekniikkaa on kehitetty 1950-luvun lopulta lähtien, ja siinä on kaksi kokoonpanoa: tasomainen ja putkimainen.

Kiinteä elektrolyytti tarjoaa hermeettisen kaasun siirtymisen elektrodista toiseen, kun taas nestemäiset elektrolyytit sijaitsevat huokoisessa substraatissa. Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on happi-ioni (О2-). Katodilla happimolekyylit erotetaan ilmasta happi-ioniksi ja neljäksi elektroniksi. Happi-ionit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen neljä vapaata elektronia. Elektronit ohjataan ulkoisen sähköpiirin läpi tuottaen sähkövirtaa ja hukkalämpöä.

Riisi. 8.

Anodireaktio: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reaktio katodilla: O2 + 4e- => 2O2-

Yleinen alkuainereaktio: 2H2 + O2 => 2H2O

Sähköenergian tuotannon hyötysuhde on polttokennoista korkein - noin 60 %. Lisäksi korkeat käyttölämpötilat mahdollistavat yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon korkeapaineisen höyryn tuottamiseksi. Korkean lämpötilan polttokennon yhdistäminen turbiiniin luo hybridipolttokennon, joka lisää sähköntuotannon hyötysuhdetta jopa 70 %.

Kiinteät oksidipolttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa (600°C-1000°C), mikä johtaa merkittävästi optimaalisten käyttöolosuhteiden saavuttamiseen, ja järjestelmä reagoi hitaammin virrankulutuksen muutoksiin. Tällaisissa korkeissa käyttölämpötiloissa ei tarvita konvertteria ottamaan vetyä polttoaineesta, jolloin lämpövoimalaitos voi toimia suhteellisen epäpuhtailla polttoaineilla hiilen kaasutuksesta tai jätekaasuista ja vastaavista. Lisäksi tämä polttokenno sopii erinomaisesti suuritehoisiin sovelluksiin, mukaan lukien teollisuus- ja suuret keskusvoimalaitokset. Teollisesti tuotetut moduulit, joiden sähköteho on 100 kW.

6. Polttokennot, joissa on suora metanolihapetus (DOMTE)

Polttokennot, joissa on suora metanolihapetus käytetään menestyksekkäästi matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden virtalähteenä sekä kannettavien virtalähteiden luomiseen, mihin tällaisten elementtien tuleva käyttö on tarkoitettu.

Polttokennojen rakenne, joissa metanoli hapetetaan suoraan, on samanlainen kuin protoninvaihtokalvolla (MOFEC) varustettujen polttokennojen rakenne, ts. polymeeriä käytetään elektrolyyttinä ja vety-ionia (protonia) käytetään varauksen kantajana. Mutta nestemäinen metanoli (CH3OH) hapettuu veden läsnä ollessa anodilla, jolloin vapautuu CO2:ta, vetyioneja ja elektroneja, jotka lähetetään ulkoisen sähköpiirin kautta, ja syntyy sähkövirta. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi ja reagoivat ilman hapen ja ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vettä anodilla.

Anodireaktio: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Katodireaktio: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Alkuainereaktio: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O 1990-luvulla ja niiden ominaisteho ja hyötysuhde lisääntyivät 40 %:iin.

Nämä elementit testattiin lämpötila-alueella 50-120 °C. Alhaisten käyttölämpötilojen ja muuntimen tarpeen vuoksi nämä polttokennot soveltuvat parhaiten matkapuhelimiin ja muihin kuluttajatuotteisiin sekä autojen moottoreihin. Niiden etuna on myös pienet mitat.

7. Po(PETE)

Polympolymeerikalvo koostuu polymeerikuiduista, joissa on vesialueita, joissa on vesi-ionien johtuminen H2O+ (protoni, punainen) on kiinnittynyt vesimolekyyliin. Vesimolekyylit aiheuttavat ongelman hitaasta ioninvaihdosta johtuen. Siksi se on pakollinen korkea pitoisuus vettä sekä polttoaineessa että pakoelektrodeissa, mikä rajoittaa käyttölämpötilan 100°C:een.

8. Kiinteät happamat polttokennot (SCFC)

Kiinteissä happamissa polttokennoissa elektrolyytti (CsHSO4) ei sisällä vettä. Käyttölämpötila on siis 100-300°C. SO42-oksianionien pyöriminen mahdollistaa protonien (punaisten) liikkumisen kuvan osoittamalla tavalla. Tyypillisesti kiinteähappopolttokenno on kerros, jossa erittäin ohut kerros kiinteää happoyhdistettä on kerrostettu kahden tiiviisti puristetun elektrodin väliin hyvän kontaktin varmistamiseksi. Lämmitettynä orgaaninen komponentti haihtuu poistuen elektrodien huokosten läpi säilyttäen kyvyn lukuisiin kosketuksiin polttoaineen (tai kennojen toisessa päässä olevan hapen), elektrolyytin ja elektrodien välillä.

Riisi. 9.

9. Polttokennojen tärkeimpien ominaisuuksien vertailu

Riisi. 10.

10. Polttokennojen käyttö autoissa

Riisi. yksitoista.

Riisi. 12.

Kuten erityyppisiä polttomoottoreita, polttokennoja on erilaisia ​​- sopivan polttokennotyypin valinta riippuu sen sovelluksesta.

Polttokennot jaetaan korkealämpötilaisiin ja matalalämpöisiin. Matalalämpötilaiset polttokennot vaativat polttoaineeksi suhteellisen puhdasta vetyä. Tämä tarkoittaa usein sitä, että polttoaineen prosessointi vaaditaan primäärisen polttoaineen (kuten maakaasun) muuntamiseksi puhtaaksi vedyksi. Tämä prosessi kuluttaa lisäenergiaa ja vaatii erikoislaitteita. Korkean lämpötilan polttokennot eivät tarvitse tätä lisämenettelyä, koska ne voivat "muuntaa" polttoaineen "sisäisesti" korkeissa lämpötiloissa, mikä tarkoittaa, että vetyinfrastruktuuriin ei tarvitse investoida.

Polttokennot sulassa karbonaatissa (MCFC)

Sula karbovat korkean lämpötilan polttokennoja. Korkea käyttölämpötila mahdollistaa maakaasun suoran käytön ilman polttoaineprosessoria ja matalalämpöarvoista polttokaasua prosessipolttoaineista ja muista lähteistä. Tämä prosessi kehitettiin 1960-luvun puolivälissä. Siitä lähtien valmistustekniikkaa, suorituskykyä ja luotettavuutta on parannettu.

RCFC:n toiminta eroaa muista polttokennoista. Nämä kennot käyttävät elektrolyyttiä sulan karbonaattisuolojen seoksesta. Tällä hetkellä käytetään kahden tyyppisiä seoksia: litiumkarbonaattia ja kaliumkarbonaattia tai litiumkarbonaattia ja natriumkarbonaattia. Karbonaattisuolojen sulattamiseksi ja ionien korkean liikkuvuuden saavuttamiseksi elektrolyytissä polttokennot, joissa on sulaa karbonaattielektrolyyttiä, toimivat korkeissa lämpötiloissa (650 °C). Tehokkuus vaihtelee välillä 60-80 %.

Kun suolat kuumennetaan 650 °C:n lämpötilaan, niistä tulee karbonaatti-ionien (CO 3 2-) johtimia. Nämä ionit siirtyvät katodilta anodille, jossa ne yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen vettä, hiilidioksidia ja vapaita elektroneja. Nämä elektronit lähetetään ulkoisen sähköpiirin kautta takaisin katodille, jolloin syntyy sähkövirtaa ja lämpöä sivutuotteena.

Anodireaktio: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reaktio katodilla: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Yleinen alkuainereaktio: H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) + CO 2 (katodi) => H 2 O (g) + CO 2 (anodi)

Sulan karbonkorkeilla käyttölämpötiloilla on tiettyjä etuja. Korkeissa lämpötiloissa maakaasu uudistuu sisäisesti, mikä eliminoi polttoaineprosessorin tarpeen. Lisäksi etuja ovat mahdollisuus käyttää tavanomaisia ​​rakennusmateriaaleja, kuten ruostumatonta teräslevyä ja nikkelikatalyyttiä elektrodeissa. Hukkalämmöstä voidaan tuottaa korkeapainehöyryä erilaisiin teollisiin ja kaupallisiin tarkoituksiin.

Korkeilla reaktiolämpötiloilla elektrolyytissä on myös etunsa. Korkeiden lämpötilojen käytössä kestää kauan saavuttaa optimaaliset käyttöolosuhteet ja järjestelmä reagoi hitaammin energiankulutuksen muutoksiin. Nämä ominaisuudet mahdollistavat sulan karbonaattielektrolyytin sisältävien polttokennojärjestelmien käytön tasaisen tehon olosuhteissa. Korkeat lämpötilat estävät polttokennojen vaurioitumisen hiilimonoksidin, "myrkytysten" jne.

Sulat karbonaattipolttokennot soveltuvat käytettäväksi suurissa kiinteissä asennuksissa. Lämpövoimalaitoksia, joiden sähköteho on 2,8 MW, valmistetaan teollisesti. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

Fosforihappopolttokennot (PFC)

Fosforihappoon (ortofosforihappoon) perustuvat polttokennot olivat ensimmäiset kaupalliseen käyttöön otetut polttokennot. Tämä prosessi kehitettiin 1960-luvun puolivälissä ja sitä on testattu 1970-luvulta lähtien. Sen jälkeen vakaus, suorituskyky ja kustannukset ovat lisääntyneet.

Fosfori(ortofosfori)happoon perustuvissa polttokennoissa käytetään fosforihappopohjaista (H 3 PO 4) elektrolyyttiä, jonka pitoisuus on jopa 100 %. Fosforihapon ioninjohtavuus on alhaisissa lämpötiloissa alhainen, minkä vuoksi näitä polttokennoja käytetään 150–220°C:n lämpötiloissa.

Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on vety (H + , protoni). Samanlainen prosessi tapahtuu pr(MEFC), joissa anodille syötetty vety jaetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Protonit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät katodilla ilmasta tulevan hapen kanssa muodostaen vettä. Elektronit ohjataan ulkoista sähköpiiriä pitkin ja syntyy sähkövirta. Alla on reaktiot, jotka tuottavat sähköä ja lämpöä.

Reaktio anodilla: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Fosfori (ortofosfori) happoon perustuvien polttokennojen hyötysuhde on yli 40 % sähköenergian tuotannossa. Lämmön ja sähkön yhteistuotannossa kokonaishyötysuhde on noin 85 %. Lisäksi hukkalämpöä voidaan käyttää käyttölämpötiloissa veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen ilmakehän paineessa.

Fosfori- (ortofosfori)happopohjaisten polttokennojen lämpövoimalaitosten korkea suorituskyky lämmön ja sähkön yhteistuotannossa on yksi tämäntyyppisten polttokennojen eduista. Laitokset käyttävät hiilimonoksidia noin 1,5 %:n pitoisuutena, mikä laajentaa huomattavasti polttoainevalikoimaa. Lisäksi CO 2 ei vaikuta elektrolyyttiin ja polttokennon toimintaan, tämäntyyppinen kenno toimii uudistetulla luonnonpolttoaineella. Yksinkertainen rakenne, alhainen elektrolyytin haihtuvuus ja parantunut stabiilius ovat myös tämän tyyppisen polttokennon etuja.

Teollisesti tuotetaan lämpövoimaloita, joiden sähköteho on jopa 400 kW. 11 MW:n laitteistot ovat läpäisseet asiaankuuluvat testit. Kehitellään laitoksia, joiden lähtöteho on jopa 100 MW.

Polttokennot protoninvaihtokalvolla (PME)

Protoninvaihtokalvopolttokennoja pidetään parhaana polttokennotyyppinä ajoneuvojen sähköntuotannossa, joka voi korvata bensiini- ja dieselpolttomoottorit. NASA käytti näitä polttokennoja ensimmäisenä Gemini-ohjelmassa. Nykyään kehitetään ja esitellään MOPFC-asennuksia, joiden teho on 1 W - 2 kW.

Nämä polttokennot käyttävät kiinteää polymeerikalvoa (ohut muovikalvo) elektrolyyttinä. Kun tämä polymeeri on kyllästetty vedellä, se läpäisee protonit, mutta ei johda elektroneja.

Polttoaine on vety ja varauksenkantaja vetyioni (protoni). Anodilla vetymolekyyli erotetaan vetyioniksi (protoniksi) ja elektroneiksi. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi katodille, kun taas elektronit liikkuvat ulkokehän ympäri ja tuottavat sähköenergiaa. Happi, joka otetaan ilmasta, syötetään katodille ja yhdistyy elektronien ja vetyionien kanssa muodostaen vettä. Seuraavat reaktiot tapahtuvat elektrodeilla:

Reaktio anodilla: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Muihin polttokennotyyppeihin verrattuna protoninvaihtokalvopolttokennot tuottavat enemmän tehoa tietyllä polttokennotilavuudella tai -painolla. Tämän ominaisuuden ansiosta ne ovat kompakteja ja kevyitä. Lisäksi käyttölämpötila on alle 100°C, mikä mahdollistaa nopean käytön. Nämä ominaisuudet sekä kyky muuttaa nopeasti energiantuottoa ovat vain joitakin ominaisuuksia, jotka tekevät näistä polttokennoista erinomaisen ehdokkaan käytettäväksi ajoneuvoissa.

Toinen etu on, että elektrolyytti on kiinteää ainetta enemmän kuin nestemäistä. Kaasujen pitäminen katodilla ja anodilla on helpompaa kiinteällä elektrolyytillä ja siksi tällaiset polttokennot ovat halvempia valmistaa. Muihin elektrolyytteihin verrattuna kiinteän elektrolyytin käyttö ei aiheuta ongelmia, kuten orientaatioongelmia, on vähemmän ongelmia korroosion esiintymisen vuoksi, mikä johtaa kennon ja sen komponenttien pidempään kestävyyteen.

Kiinteät oksidipolttokennot (SOFC)

Kiinteät oksidipolttokennot ovat polttokennoja, joiden käyttölämpötila on korkein. Käyttölämpötila voi vaihdella 600°C - 1000°C, mikä mahdollistaa erityyppisten polttoaineiden käytön ilman erityistä esikäsittelyä. Näiden korkeiden lämpötilojen käsittelemiseksi elektrolyyttinä käytetään ohutta keraamipohjaista kiinteää metallioksidia, usein yttriumin ja zirkoniumin seosta, joka on happi (O 2 -) -ionien johde. Kiinteiden oksidipolttokennojen käyttötekniikkaa on kehitetty 1950-luvun lopulta lähtien. ja siinä on kaksi kokoonpanoa: tasomainen ja putkimainen.

Kiinteä elektrolyytti tarjoaa hermeettisen kaasun siirtymisen elektrodista toiseen, kun taas nestemäiset elektrolyytit sijaitsevat huokoisessa substraatissa. Varauksen kantaja tämän tyyppisissä polttokennoissa on happi-ioni (O 2 -). Katodilla happimolekyylit erotetaan ilmasta happi-ioniksi ja neljäksi elektroniksi. Happi-ionit kulkevat elektrolyytin läpi ja yhdistyvät vedyn kanssa muodostaen neljä vapaata elektronia. Elektronit ohjataan ulkoisen sähköpiirin kautta tuottaen sähkövirtaa ja hukkalämpöä.

Reaktio anodilla: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 4e - => 2O 2 -
Yleinen alkuainereaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tuotetun sähköenergian hyötysuhde on polttokennoista korkein - noin 60 %. Lisäksi korkeat käyttölämpötilat mahdollistavat yhdistetyn lämmön ja sähkön tuotannon korkeapaineisen höyryn tuottamiseksi. Korkean lämpötilan polttokennon yhdistäminen turbiiniin luo hybridipolttokennon, joka lisää sähköntuotannon hyötysuhdetta jopa 70 %.

Kiinteät oksidipolttokennot toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa (600°C-1000°C), mikä johtaa pitkään optimaalisten käyttöolosuhteiden saavuttamiseen, ja järjestelmä reagoi hitaammin virrankulutuksen muutoksiin. Tällaisissa korkeissa käyttölämpötiloissa ei tarvita konvertteria ottamaan vetyä polttoaineesta, jolloin lämpövoimalaitos voi toimia suhteellisen epäpuhtailla polttoaineilla hiilen kaasutuksesta tai jätekaasuista ja vastaavista. Lisäksi tämä polttokenno sopii erinomaisesti suuritehoisiin sovelluksiin, mukaan lukien teollisuus- ja suuret keskusvoimalaitokset. Teollisesti tuotetut moduulit, joiden sähköteho on 100 kW.

Polttokennot, joissa on suora metanolihapetus (DOMTE)

Teknologiaa käyttää polttokennoja metanolin suoralla hapetuksella on käynnissä aktiivisen kehityksen ajanjakso. Se on vakiinnuttanut asemansa menestyksekkäästi matkapuhelimien, kannettavien tietokoneiden ja kannettavien virtalähteiden luomisessa. mihin näiden elementtien tuleva soveltaminen tähtää.

Polttokennojen rakenne, joissa metanoli hapetetaan suoraan, on samanlainen kuin polttokennoissa, joissa on protoninvaihtokalvo (MOFEC), ts. polymeeriä käytetään elektrolyyttinä ja vety-ionia (protonia) käytetään varauksen kantajana. Nestemäinen metanoli (CH 3 OH) kuitenkin hapettuu veden läsnä ollessa anodilla vapauttaen CO 2:ta, vetyioneja ja elektroneja, jotka ohjataan ulkoisen sähköpiirin läpi, ja syntyy sähkövirta. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi ja reagoivat ilman hapen ja ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vettä anodilla.

Reaktio anodilla: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reaktio katodilla: 3/2 O 2 + 6H + + 6e - => 3H 2 O
Yleinen alkuainereaktio: CH 3 OH + 3/2 O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Näiden polttokennojen kehitys alkoi 1990-luvun alussa. Parannettujen katalyyttien kehittämisen ja muiden viimeaikaisten innovaatioiden ansiosta tehotiheys ja hyötysuhde on kasvatettu jopa 40 %:iin.

Nämä elementit testattiin lämpötila-alueella 50-120 °C. Matalissa käyttölämpötiloissa ja ilman muuntimen tarvetta, suorat metanolipolttokennot sopivat parhaiten sovelluksiin matkapuhelimista ja muista kuluttajatuotteista automoottoreihin. Tämän tyyppisten polttokennojen etuna on niiden pieni koko, joka johtuu nestemäisen polttoaineen käytöstä, ja muuntimen käyttötarpeen puuttuminen.

Alkalipolttokennot (AFC)

Alkaliset polttokennot (ALFC) ovat yksi tutkituimmista teknologioista, ja niitä on käytetty 1960-luvun puolivälistä lähtien. NASA Apollo- ja Space Shuttle -ohjelmissa. Näissä avaruusaluksissa polttokennot tuottavat sähköä ja juomavettä. Alkalipolttokennot ovat yksi tehokkaimmista sähköntuotantoon käytetyistä elementeistä, ja sähköntuotannon hyötysuhde on jopa 70 %.

Alkalisissa polttokennoissa käytetään elektrolyyttiä eli kaliumhydroksidin vesiliuosta, joka on huokoisessa, stabiloidussa matriisissa. Kaliumhydroksidin pitoisuus voi vaihdella polttokennon käyttölämpötilan mukaan, joka vaihtelee välillä 65°C - 220°C. Varauksen kantaja SFC:ssä on hydroksidi-ioni (OH-), joka siirtyy katodilta anodille, jossa se reagoi vedyn kanssa muodostaen vettä ja elektroneja. Anodilla tuotettu vesi siirtyy takaisin katodille ja tuottaa siellä taas hydroksidi-ioneja. Tämän polttokennossa tapahtuvan reaktiosarjan seurauksena syntyy sähköä ja sivutuotteena lämpöä:

Reaktio anodilla: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reaktio katodilla: O 2 + 2H 2 O + 4e - \u003d\u003e 4OH -
Järjestelmän yleinen reaktio: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

SFC-kennojen etuna on se, että nämä polttokennot ovat halvimpia valmistaa, koska elektrodeille tarvittava katalyytti voi olla mitä tahansa aineita, jotka ovat halvempia kuin muiden polttokennojen katalyytteinä käytetyt. Lisäksi SCFC:t toimivat suhteellisen alhaisessa lämpötilassa ja ovat tehokkaimpia polttokennoja – tällaiset ominaisuudet voivat vastaavasti edistää nopeampaa sähköntuotantoa ja korkeaa polttoainetehokkuutta.

Yksi SHTE:n ominaispiirteistä on sen korkea herkkyys CO 2 :lle, joka voi olla polttoaineessa tai ilmassa. CO 2 reagoi elektrolyytin kanssa, myrkyttää sen nopeasti ja heikentää huomattavasti polttokennon tehokkuutta. Siksi SFC:iden käyttö rajoittuu suljettuihin tiloihin, kuten avaruus- ja vedenalaisiin ajoneuvoihin, niiden on toimittava puhtaalla vedyllä ja hapella. Lisäksi molekyylit, kuten CO, H 2 O ja CH 4, jotka ovat turvallisia muille polttokennoille ja jopa polttoainetta joillekin niistä, ovat haitallisia SFC:lle.

Po(PETE)

Polympolymeerikalvo koostuu polymeerikuiduista, joissa on vesialueita, joissa vesi-ionien H 2 O + (protoni, punainen) johtuminen on kiinnittynyt vesimolekyyliin. Vesimolekyylit aiheuttavat ongelman hitaasta ioninvaihdosta johtuen. Siksi sekä polttoaineessa että pakoelektrodeissa tarvitaan korkea vesipitoisuus, mikä rajoittaa käyttölämpötilan 100°C:een.

Kiinteät happamat polttokennot (SCFC)

Kiinteissä happamissa polttokennoissa elektrolyytti (C s HSO 4 ) ei sisällä vettä. Käyttölämpötila on siis 100-300°C. SO 4 2- oksianionien pyöriminen mahdollistaa protonien (punaisten) liikkumisen kuvan osoittamalla tavalla. Tyypillisesti kiinteähappopolttokenno on kerros, jossa erittäin ohut kerros kiinteää happoyhdistettä on kerrostettu kahden tiiviisti puristetun elektrodin väliin hyvän kontaktin varmistamiseksi. Kuumennettaessa orgaaninen komponentti haihtuu poistuen elektrodien huokosten läpi, jolloin polttoaineen (tai kennon toisessa päässä olevan hapen), elektrolyytin ja elektrodien välillä on useita kontakteja.

Vetypolttokennot muuttavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ohittaen tehottomat, häviölliset palamisprosessit ja lämpöenergian muuntamisen mekaaniseksi energiaksi.

Kuvaus:

Vetypolttokennot muuttavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ohittaen tehottomat, häviölliset palamisprosessit ja lämpöenergian muuntamisen mekaaniseksi energiaksi. Vetypolttokenno on sähkökemiallinen laite tuottaa polttoaineen erittäin tehokkaan "kylmän" polton seurauksena suoraan sähköä. Protoninvaihtokalvo vety-ilmapolttokenno (PEMFC) on yksi lupaavimmista polttoainetekniikoista. elementtejä.

Protoneja johtava polymeerikalvo erottaa kaksi elektrodia, anodin ja katodin. Jokainen elektrodi on hiililevy (matriisi), joka on päällystetty katalyytillä. Anodikatalyytissä molekyylivety dissosioituu ja luovuttaa elektroneja. Vetykationit johdetaan kalvon läpi katodille, mutta elektroneja luovutetaan ulkoiseen piiriin, koska kalvo ei päästä elektroneja läpi.

Katodikatalyytissä happimolekyyli yhdistyy elektronin (joka syötetään sähköpiiristä) ja sisään tulevan protonin kanssa ja muodostaa vettä, joka on ainoa reaktiotuote (höyryn ja/tai nesteen muodossa).

Kalvoelektrodilohkot valmistetaan vetypolttokennoista, jotka ovat energiajärjestelmän avaintekijä.

Vetypolttokennojen edut perinteisiin ratkaisuihin verrattuna:

– lisääntynyt ominaisenergiaintensiteetti (500 ÷ 1000 W*h/kg),

– laajennettu käyttölämpötila-alue (-40 0 C / +40 0 C),

– lämpöpisteen, melun ja tärinän puuttuminen,

– kylmäkäynnistyksen luotettavuus

– käytännöllisesti katsoen rajoittamaton energian varastointiaika (ei itsepurkautumista),

– kyky muuttaa järjestelmän energiaintensiteettiä muuttamalla polttoainepatruunoiden määrää, mikä tarjoaa lähes rajattoman autonomian,

– kyky tarjota lähes mikä tahansa kohtuullinen järjestelmän energiaintensiteetti muuttamalla vetyvaraston kapasiteettia,

– korkea energiankulutus

– sietokyky vedyn epäpuhtauksille,

– pitkä käyttöikä,

- ympäristöystävällisyys ja äänetön toiminta.

Sovellus:

– UAV-laitteiden virtalähdejärjestelmät,

– kannettavat laturit,

– keskeytymättömät virtalähteet,

– Muut laitteet.

Yrittäjä Danila Šapošnikov kertoo sitoutuneensa tuomaan tuotteen markkinoille laboratoriosta. Startup AT Energy valmistaa vetypolttokennoja, joiden avulla droonit voivat lentää monta kertaa pidempään kuin nyt.

Yrittäjä Danila Shaposhnikov auttaa tutkijoita Juri Dobrovolskya ja Sergey Nefedkiniä kaupallistamaan keksintönsä - kompaktit vetypolttokennnot, jotka voivat toimia useita tunteja ilman pelkoa pakkasesta ja kosteudesta. Heidän perustamansa AT Energy -yhtiö on houkutellut jo noin 100 miljoonaa ruplaa. investointeja ja valmistautuu valloittamaan 7 miljardin dollarin globaalit miehittämättömien ilma-alusten markkinat, jotka toistaiseksi käyttävät pääasiassa litiumioniakkuja.

Laboratoriosta markkinoille

Liiketoiminnan aloitti Shaposhnikovin tutustuminen kahteen energian ja sähkökemian alan tohtoriin - Dobrovolskyin Venäjän tiedeakatemian kemiallisen fysiikan instituutin Tšernogolovkasta ja Nefedkinin kanssa, joka johtaa Moskovan vetyenergiakeskusta. Energiatekniikan instituutti. Professoreilla oli idea matalan lämpötilan polttokennojen valmistamisesta, mutta he eivät ymmärtäneet, miten keksintönsä saataisiin markkinoille. ”Toimin yrittäjä-sijoittajana, joka otti riskin tuoda tuote markkinoille laboratoriosta”, Shaposhnikov muistelee haastattelussa RBC:lle.

Elokuussa 2012 Shaposhnikov, Dobrovolsky ja Nefedkin rekisteröivät AT Energyn (AT Energy LLC) ja alkoivat valmistella prototyyppejä. Yritys haki ja siitä tuli skolkovolainen. Koko vuoden 2013 ajan AT Energyn perustajat työskentelivät instituutin vuokralla Tšernogolovkassa pidentääkseen radikaalisti polttokennoakkujen käyttöikää. "Tšernogolovka on tiedekaupunki, josta on melko helppo löytää ja saada mukaan laborantteja, insinöörejä ja sähkökemistejä", Shaposhnikov sanoo. Sitten AT Energy muutti Chernogolovskyn teollisuuspuistoon. Siellä ilmestyi ensimmäinen tuote - polttokenno droneille.

AT Energyn kehittämän polttokennon ”sydän” on kalvo-elektrodilohko, jossa tapahtuu sähkökemiallinen reaktio: toisaalta syötetään ilmaa happea, toisaalta paineistettua kaasumaista vetyä, seurauksena Vedyn hapettumisen kemiallisessa reaktiossa syntyy energiaa.

Todellista tuotetta varten AT Energy sai kaksi apurahaa Skolkovolta (yhteensä lähes 47 miljoonaa ruplaa) sekä houkutella noin miljoonan dollarin investointeja. North Energy Ventures -rahasto uskoi hankkeeseen (sai 13,8 % AT Energystä, sen kumppani on Shaposhnikov itse), Phystech Ventures -pääomarahasto (13,8 %), jonka perustivat Moskovan fysiikan ja teknologian instituutista valmistuneet ja Mortonin kehittäjä (10 %); suoraan Shaposhnikov ja Dobrovolsky omistavat nyt 26,7% AT Energystä ja Nefedkin - 9% (kaikki - Unified State Register of Juridies -rekisterin mukaan).

AT Energia numeroina

Noin 1 00 miljoonaa ruplaa— houkutettujen investointien kokonaismäärä

3-30 kg- droonien massa, joille AT Energy valmistaa voimajärjestelmiä

7 miljardia dollaria vuodessa - globaalien dronemarkkinoiden volyymi vuonna 2015

90 miljoonaa dollaria— Venäjän sotilasdroneiden markkinoiden volyymi vuonna 2014

5 miljoonaa dollaria— Venäjän droonien siviilimarkkinoiden volyymi vuonna 2014

2,6 miljardia dollaria— maailman polttokennomarkkinoiden volyymi vuonna 2014

Lähde: Yritystiedot, Business Insider, Markets & Markets

Lentäminen pidempään, jopa pidempään

Nykyään lähes 80 % maailman droneista käyttää sähkömoottoreita, jotka saavat virtansa litiumioniakuista tai litiumpolymeeriakuista. ”Akkujen suurin ongelma on, että niissä on kokorajoituksia. Jos haluat kaksi kertaa enemmän energiaa, aseta toinen akku, toinen ja niin edelleen. Ja droneissa tärkein parametri on sen massa”, Shaposhnikov selittää.

Dronin massa määrittää sen hyötykuorman - siihen ripustettavien laitteiden määrän (esimerkiksi kamerat, lämpökamerat, skannauslaitteet jne.) sekä lentoajan. Tähän mennessä droonit lentävät enimmäkseen puolesta tunnista puoleentoista tuntiin. "Se ei ole kiinnostavaa puoleen tuntiin", Shaposhnikov sanoo. "Kävi ilmi, että heti kun olet nostanut sen ilmaan, on jo aika vaihtaa akku." Lisäksi litiumioniakut käyttäytyvät omituisesti alhaisissa lämpötiloissa. Shaposhnikov väittää, että AT Energyssä kehitetyt polttokennot antavat droonien lentää jopa viisi kertaa pidempään: kahdesta ja puolesta neljään tuntiin, eivätkä ne pelkää pakkasta (miinus 20 asteeseen asti).

AT Energy ostaa akkuihinsa kulutusosia ja komponentteja sekä Venäjältä että ulkomailta. "Tieteellisessä kehityksessä tarkoitetaan pieniä sarjoja, joten emme voi vielä antaa tarvitsemamme komponenttien potentiaalisille venäläisille valmistajille suunnitteluhorisonttia, jotta he voivat lokalisoida tuotantoaan", Shaposhnikov selittää.

Vuonna 2014 AT Energy täytti ensimmäiset sopimukset: se toimitti armeijalle 20 omiin polttokennoihin perustuvaa akkujärjestelmää (Shaposhnikov ei nimeä asiakasta). Ne varustettiin myös AFM-Servers-yhtiön droneilla, jotka käyttivät niitä kuvattaessa Sotšin olympialaisia. "Yksi yrityksen tavoitteista oli testata järjestelmiämme droneilla, emmekä välittäneet siitä, maksettiinko siitä vai ei", Shaposhnikov muistelee. Tähän mennessä AT Energy on allekirjoittanut useita sopimuksia ja esisopimuksia, joiden potentiaaliset tulot Shaposhnikovin mukaan ovat 100 miljoonaa ruplaa. (pääasiassa valtion virastoissa).

Shaposhnikov ei julkista AT Energyn taloudellisia tuloksia. Kontur.Fokuksen mukaan vuonna 2014 yrityksen liikevaihto oli 12,4 miljoonaa ruplaa. ja nettotappio 1,2 miljoonaa ruplaa. AT Energyn valmistamien polttokennojen, joiden kapasiteetti on enintään 0,5 kW, hinta on Shaposhnikovin mukaan 10-25 tuhatta dollaria dronin tyypistä, sen tehtävistä, lennon kestosta ja muista parametreista riippuen.

Ruplan devalvoituminen Shaposhnikovin mukaan helpottaa yrityksen pääsyä maailmanmarkkinoille. "Asetimme vuonna 2016 tavoitteeksi luoda suhteita länsimaisten pelaajien kanssa ja vuonna 2017 valmistaa ensimmäiset tuotteet ulkomaisten droonien päätyypeille", hän sanoo.

SIJOITTAJA

"AT Energy onnistui luomaan polttokennon, jolla on ainutlaatuiset ominaisuudet"

Oleg Pertsovsky, Skolkovon säätiön energiatehokkaiden teknologioiden klusterin toimintajohtaja

"He pystyivät tekemään laitteen, joka toimii negatiivisissa lämpötiloissa, mutta on melko kompakti ja edullinen. Tietointensiivisille projekteille neljä vuotta on lyhyt aika, joten ne etenevät mielestämme normaalia vauhtia. Droonit ovat yksi ilmeisistä ja lupaavimmista sovelluksista polttokennoille. Vaihtamalla virtalähde drone pystyy pidentää lentoaikaa useita kertoja samoilla massaulotteisilla ominaisuuksilla. Markkinoita on myös autonomiselle virransyötölle, esimerkiksi matkapuhelinverkkoihin, missä on suuri tarve pienitehoisille virtalähteille syrjäisillä alueilla, joilla ei ole sähköverkkoja.

"Kilpailukykyisen tuotteen luomiseen ja näille markkinoille tuloon liittyy merkittäviä sijoitusriskejä"

Sergey Filimonov, GS Venture Corporate Venture Fundin johtaja (osa GS Groupia)

”Suurkapasiteetin polttokennojen markkinat ovat paljon laajemmat ja monimutkaisemmat kuin UAV-tila. Polttokennojen on kuitenkin kilpailtava useiden olemassa olevien energialähteiden kanssa sekä tehokkuuden että kustannusten suhteen. Kilpailukykyisen tuotteen luomiseen ja näille markkinoille tuloon liittyy merkittäviä sijoitusriskejä. GS Venturelle UAV- ja polttokennoalueet ovat varsin mielenkiintoisia, mutta rahasto ei ole valmis sijoittamaan startupiin vain siksi, että tämä yritys toimii nousevalla alalla ja tähtää nopeasti kasvaville markkinoille.

ASIAKKAAT

"Tämä parasta tekniikkaa markkinoilla, mutta liian kallista

Oleg Panfilenok, Copter Expressin perustaja ja toimitusjohtaja

”AT Energyllä on erittäin vahva tekniikka. "Polttokenno ja vetysäiliö" -yhdistelmä mahdollistaa varman energiakapasiteetin saavuttamisen, huomattavasti korkeamman kuin litiumpolymeeri- tai litiumioniakuissa. Olemme jo suunnitelleet kartoitusdronen, jonka halkaisija on noin 1 metri, lentämään suurella alueella - jos laitat siihen vetypolttokennoja, se lentää jopa neljä tuntia. Se olisi kätevää ja tehokasta, sinun ei tarvitsisi istuttaa laitetta useita kertoja latausta varten.

Tällä hetkellä se on ehdottomasti markkinoiden paras tekniikka, mutta siinä on yksi ongelma: se on meille liian kallista. Yksi AT Energyn akku voi maksaa noin 500 tuhatta ruplaa. - suuruusluokkaa suurempi kuin litiumpolymeeriakku. Kyllä, se on puolitoista kertaa halvempi kuin ulkomaiset analogit, mutta tarvitsemme kymmenen. Emme ole armeijaa, joilla on budjetit, olemme kaupallinen yritys emmekä ole valmiita maksamaan suuria rahoja. Armeijalle dronin ominaisuudet ovat tärkeämpiä kuin sen hinta, mutta kaupalle päinvastoin on parempi antaa sen olla huonompi, mutta halvempi."

"Dronen lentoaika moniin tehtäviin on tärkein tekijä"

Maxim Shinkevich, Unmanned Systems -konsernin toimitusjohtaja

”Tunnemme AT Energyn hyvin ja olemme solmineet yhteistyösopimuksen heidän kanssaan. Saimme äskettäin päätökseen uuden, jopa 2 kg:n hyötykuorman ylisuuren multikopterin kehittämisen, joka varustetaan AT Energyn polttokennoilla ja lentää 2,5–4 tuntia. Litiumakuilla tällainen drone lensi vain 30 minuuttia. Tätä dronea voidaan käyttää sekä siviili- että sotilastarkoituksiin - se on videovalvontajärjestelmä ihmisten etsintään ja pelastamiseen, olemme jo valmiita käynnistämään sen sarjassa. Meillä on jo ensimmäinen siviiliasiakas sille, heti kun näytämme sen toiminnassa, tulee muita sopimuksia.

Yksi suurimmista ongelmista polttokennojen massakäytössä on asemien verkoston puute niiden latausta varten. Ne ovat kalliimpia kuin akut (jolloin niitä käyttävän droonin hinta nousee 15 %), mutta vastineeksi saat yli kaksinkertaisen lennon keston. Dronen lentoaika moniin tehtäviin on tärkein tekijä.”

Natalia Suvorova