Ce este o celulă de combustibil. Pilele de combustibil: un an de speranță

ELEMENT DE COMBUSTIBIL
un generator electrochimic, un dispozitiv care convertește direct energia chimică în energie electrică. În timp ce același lucru se întâmplă și în bateriile electrice, celulele de combustibil au două diferențe importante: 1) funcționează atâta timp cât combustibilul și oxidantul sunt furnizați dintr-o sursă externă; 2) compoziția chimică a electrolitului nu se modifică în timpul funcționării, adică celula de combustibil nu trebuie reîncărcată.
Vezi si BATERIE DE ALIMENTARE.
Principiul de funcționare. Celula de combustibil (Fig. 1) este formată din doi electrozi separați de un electrolit și sisteme de alimentare cu combustibil la un electrod și oxidant la celălalt, precum și un sistem de îndepărtare a produselor de reacție. În majoritatea cazurilor, catalizatorii sunt utilizați pentru a accelera o reacție chimică. Un circuit electric extern conectează celula de combustibil la o sarcină care consumă electricitate.

În imaginea prezentată în Fig. Într-o celulă de combustibil acidă, hidrogenul este alimentat prin anodul gol și intră în electrolit prin porii foarte fini din materialul electrodului. În acest caz, are loc descompunerea moleculelor de hidrogen în atomi, care, ca urmare a chemisorbției, donând câte un electron, se transformă în ioni încărcați pozitiv. Acest proces poate fi descris prin următoarele ecuații:

Ionii de hidrogen difuzează prin electrolit către partea pozitivă a celulei. Oxigenul furnizat catodului trece în electrolit și reacționează, de asemenea, pe suprafața electrodului cu participarea unui catalizator. Când se combină cu ioni de hidrogen și electroni care provin din circuitul extern, se formează apă:

Celulele cu combustibil cu un electrolit alcalin (de obicei hidroxizi de sodiu sau potasiu concentrate) suferă reacții chimice similare. Hidrogenul trece prin anod și reacționează în prezența unui catalizator cu ioni hidroxil (OH-) prezenți în electrolit pentru a forma apă și un electron:

La catod, oxigenul reacționează cu apa din electrolit și electronii din circuitul extern. În etapele succesive ale reacțiilor, se formează ioni hidroxil (și, de asemenea, perhidroxil O2H-). Reacția rezultată la catod poate fi scrisă ca:

Fluxul de electroni și ioni menține echilibrul de sarcină și substanță din electrolit. Apa rezultată diluează parțial electrolitul. În orice celulă de combustibil, o parte din energia unei reacții chimice este transformată în căldură. Fluxul de electroni din circuitul extern este un curent continuu care este folosit pentru a face lucrări. Majoritatea reacțiilor din celulele de combustibil asigură un CEM de aproximativ 1 V. Deschiderea circuitului sau oprirea mișcării ionilor oprește funcționarea celulei de combustibil. Procesul care are loc într-o celulă de combustibil hidrogen-oxigen este inerent opusul binecunoscutului proces de electroliză, în care apa se disociază pe măsură ce un curent electric trece prin electrolit. Într-adevăr, în unele tipuri de celule de combustibil, procesul poate fi inversat - prin aplicarea tensiunii electrozilor, apa poate fi descompusă în hidrogen și oxigen, care poate fi colectată pe electrozi. Dacă opriți încărcarea celulei și conectați o sarcină la aceasta, o astfel de celulă regenerabilă va începe să funcționeze imediat în modul normal. În teorie, dimensiunile celulei de combustibil pot fi la fel de mari pe cât se dorește. În practică, însă, mai multe celule sunt combinate în module mici sau baterii care sunt conectate fie în serie, fie în paralel.
Tipuri de celule de combustibil. Există diferite tipuri de pile de combustie. Pot fi clasificate, de exemplu, în funcție de combustibilul utilizat, presiunea de funcționare și temperatura, în funcție de natura aplicației.
Pile de combustie cu hidrogen.În această celulă tipică descrisă mai sus, hidrogenul și oxigenul sunt transferați la electrolit prin intermediul electrozilor microporoși de carbon sau metalici. Densitatea mare de curent este atinsă în celulele care funcționează la temperaturi ridicate (aproximativ 250 ° C) și presiuni ridicate. Celulele care utilizează combustibil cu hidrogen, obținute din procesarea combustibililor cu hidrocarburi, cum ar fi gazele naturale sau produsele petroliere, vor găsi probabil cele mai răspândite aplicații comerciale. Prin combinarea unui număr mare de elemente, pot fi create instalații energetice puternice. În aceste instalații, curentul continuu generat de elemente este convertit în curent alternativ cu parametri standard. Un nou tip de elemente capabile să funcționeze pe hidrogen și oxigen la temperatura și presiunea normale sunt elemente cu membrane schimbătoare de ioni (Fig. 2). În aceste celule, în locul unui electrolit lichid, o membrană polimerică este situată între electrozi, prin care ionii trec liber. În astfel de elemente, aerul poate fi utilizat împreună cu oxigenul. Apa formată în timpul funcționării celulei nu dizolvă electrolitul solid și poate fi ușor îndepărtată.

Enciclopedia Collier. - Societate Deschisă. 2000 .

Vedeți ce este „FUEL ELEMENT” în alte dicționare:

CELUTA DE COMBUSTIBIL, ELEMENT ELECTROCHIMIC pentru conversia directa a energiei de oxidare a combustibilului in energie electrica. Electrozii proiectați corespunzător sunt scufundați în ELECTROLIT și combustibil (de exemplu hidrogen) este furnizat unuia ... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

O celulă galvanică în care reacția redox este susținută de o alimentare continuă de reactivi (combustibil, de exemplu hidrogen și un oxidant, de exemplu oxigen) din rezervoare speciale. Cea mai importantă componentă ... ... Dicționar enciclopedic mare

celule de combustibil- O celulă primară în care energia electrică este generată de reacțiile electrochimice dintre substanțele active furnizate continuu electrozilor din exterior. [GOST 15596 82] EN pilă de celule de combustibil care poate schimba energia chimică din ...... Ghidul traducătorului tehnic

Pila de combustibil directă cu metanol Pila de combustibil este un dispozitiv electrochimic similar, dar diferit de celula galvanică ... Wikipedia

Celulele de combustibil (generatoare electrochimice) reprezintă o metodă de generare a energiei extrem de eficientă, durabilă, fiabilă și ecologică. Inițial, acestea erau utilizate doar în industria spațială, dar astăzi generatoarele electrochimice sunt din ce în ce mai utilizate în diverse domenii: acestea sunt surse de alimentare pentru telefoane mobile și laptopuri, motoare pentru vehicule, surse de alimentare autonome pentru clădiri, centrale electrice staționare. Unele dintre aceste dispozitive funcționează ca prototipuri de laborator, unele sunt utilizate în scopuri demonstrative sau sunt supuse testelor de pre-producție. Cu toate acestea, multe modele sunt deja utilizate în proiecte comerciale și sunt produse în serie.

Dispozitiv

Celulele de combustibil sunt dispozitive electrochimice capabile să asigure o rată ridicată de conversie a energiei chimice existente în energie electrică.

Dispozitivul cu pilă de combustibil este format din trei părți principale:

1. Secțiunea Generarea energiei electrice;
2. CPU;
3. Transformator de tensiune.

Partea principală a celulei de combustibil este secțiunea de generare a energiei electrice, care este un teanc alcătuit din celule de combustibil individuale. Un catalizator de platină este inclus în structura electrozilor celulelor de combustie. Cu ajutorul acestor celule, se generează un curent electric constant.

Unul dintre aceste dispozitive are următoarele caracteristici: la o tensiune de 155 volți, sunt scoase 1400 amperi. Bateria măsoară 0,9 m lățime și înălțime și 2,9 m lungime. Procesul electrochimic din acesta se desfășoară la o temperatură de 177 ° C, ceea ce necesită încălzirea bateriei în momentul pornirii, precum și îndepărtarea căldurii în timpul funcționării sale. În acest scop, un circuit separat de apă este inclus în celula de combustibil, inclusiv bateria echipată cu plăci speciale de răcire.

Procesul de combustibil transformă gazul natural în hidrogen, care este necesar pentru o reacție electrochimică. Elementul principal al procesorului de combustibil este reformatorul. În acesta, gazul natural (sau alt combustibil care conține hidrogen) interacționează la presiune ridicată și temperatură ridicată (aproximativ 900 ° C) cu vapori de apă sub acțiunea unui catalizator - nichel.

Există un arzător pentru a menține temperatura necesară a reformatorului. Aburul necesar reformării este generat din condens. Un curent continuu instabil este generat în stiva de celule de combustibil și un convertor de tensiune este utilizat pentru a-l converti.

De asemenea, în blocul convertorului de tensiune există:

• Dispozitive de control.
• Circuite de blocare a siguranței care opresc celula de combustibil pentru diverse defecțiuni.

Principiul de funcționare

Cel mai simplu element cu o membrană de schimb de protoni constă dintr-o membrană polimerică situată între anod și catod, precum și catalizatori catodici și anodici. Membrana polimerică este utilizată ca electrolit.

• Membrana schimbătoare de protoni arată ca un compus organic subțire, subțire, cu grosime mică. Această membrană funcționează ca un electrolit; în prezența apei, împarte substanța în ioni încărcați negativ și pozitiv.
• Oxidarea începe la anod, iar reducerea are loc la catod. Catodul și anodul din celula PEM sunt realizate dintr-un material poros, este un amestec de platină și particule de carbon. Platina acționează ca un catalizator, ceea ce facilitează reacția de disociere. Catodul și anodul sunt făcute poroase, astfel încât oxigenul și hidrogenul să poată trece liber prin ele.
• Anodul și catodul sunt situate între două plăci metalice, furnizează oxigen și hidrogen catodului și anodului și elimină energia electrică, căldura și apa.
• Prin canalele din placă, moleculele de hidrogen intră în anod, unde moleculele sunt descompuse în atomi.
• Ca urmare a chemisorbției, atunci când sunt expuși unui catalizator, atomii de hidrogen sunt transformați în ioni de hidrogen încărcați pozitiv H +, adică protoni.
• Protonii difuzează către catod prin membrană, iar fluxul de electroni merge către catod printr-un circuit electric extern special. O sarcină este conectată la aceasta, adică un consumator de energie electrică.
• Oxigenul furnizat catodului, atunci când este expus, intră într-o reacție chimică cu electronii din circuitul electric extern și cu ioni de hidrogen din membrana schimbătoare de protoni. Această reacție chimică produce apă.

Reacția chimică care apare în alte tipuri de celule de combustibil (de exemplu, cu un electrolit acid sub formă de acid fosforic H3PO4) este complet identică cu reacția unui dispozitiv cu o membrană de schimb de protoni.

Vizualizări

În prezent, sunt cunoscute mai multe tipuri de celule de combustibil, care diferă prin compoziția electrolitului utilizat:

• Celule de combustibil pe bază de acid fosforic sau fosforic (PAFC, celule combustibile cu acid fosforic).
• Dispozitive cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Celule de combustibil cu oxid solid (SOFC, celule de combustibil cu oxid solid).
• Generatoare electrochimice pe bază de carbonat topit (MCFC, celule de combustibil carbonate topite).

În acest moment, generatoarele electrochimice care utilizează tehnologia PAFC au devenit mai răspândite.

Cerere

Astăzi, pilele de combustibil sunt utilizate în naveta spațială, nava spațială reutilizabilă. Folosesc instalații cu o putere de 12 wați. Ele generează toată energia electrică din nava spațială. Apa generată de reacția electrochimică este utilizată pentru băut, inclusiv pentru echipamentele de răcire.

Generatoarele electrochimice au fost folosite și pentru alimentarea Buranului sovietic, o navă reutilizabilă.

Celulele de combustibil sunt utilizate și în sectorul civil.

• Instalații staționare cu o capacitate de 5-250 kW și mai mare. Sunt folosite ca surse autonome de alimentare cu energie termică și electrică a clădirilor industriale, publice și rezidențiale, surse de alimentare de urgență și de rezervă, surse de alimentare neîntreruptibile.
• Unități portabile cu o capacitate de 1–50 kW. Sunt folosite pentru sateliți și nave spațiale. Se creează copii pentru căruțe de golf, scaune cu rotile, frigidere feroviare și de marfă, indicatoare rutiere.
• Unități mobile cu o capacitate de 25–150 kW. Încep să fie utilizate în nave de război și submarine, inclusiv în mașini și alte vehicule. Prototipuri au fost deja create de giganți auto precum Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford și alții.
• Microdispozitive cu o putere de 1–500 wați. Acestea sunt utilizate în computere avansate de buzunar, laptopuri, dispozitive electronice de uz casnic, telefoane mobile și dispozitive militare moderne.

Particularități

• O parte din energia de reacție chimică din fiecare celulă de combustibil este eliberată sub formă de căldură. Este necesară răcirea. În circuitul extern, fluxul de electroni creează un curent constant care este folosit pentru a face treaba. Încetarea mișcării ionilor de hidrogen sau deschiderea circuitului extern duce la încetarea reacției chimice.
• Cantitatea de energie electrică generată de celulele de combustibil este determinată de presiunea gazului, temperatura, dimensiunile geometrice și tipul de celulă de combustibil. Pentru a crește cantitatea de energie electrică generată de reacție, dimensiunea celulelor de combustibil poate fi mărită, dar în practică sunt utilizate mai multe celule, care sunt combinate în baterii.
• Procesul chimic în unele tipuri de pile de combustie poate fi inversat. Adică, atunci când se aplică o diferență de potențial electrozilor, apa poate fi descompusă în oxigen și hidrogen, care vor fi colectate pe electrozii poroși. Când sarcina este pornită, o astfel de celulă de combustibil va genera energie electrică.

Perspective

În prezent, generatoarele electrochimice utilizate ca sursă principală de energie necesită costuri inițiale ridicate. Odată cu introducerea unor membrane mai stabile cu conductivitate ridicată, catalizatori eficienți și ieftini și surse alternative de hidrogen, celulele de combustibil vor deveni extrem de atractive din punct de vedere economic și vor fi introduse peste tot.

• Mașinile vor funcționa cu pile de combustibil, nu va exista deloc motor cu ardere internă. Apa sau hidrogenul în stare solidă vor fi utilizate ca sursă de energie. Realimentarea cu combustibil va fi simplă și sigură, iar conducerea este ecologică - se vor genera numai vapori de apă.
• Toate clădirile vor avea propriile generatoare de energie portabile cu pilă de combustibil.
• Generatoarele electrochimice vor înlocui toate bateriile și vor fi găsite în orice electronică și aparate de uz casnic.

Avantaje și dezavantaje

Fiecare tip de celulă de combustibil are propriile sale avantaje și dezavantaje. Unele necesită combustibil de înaltă calitate, altele au un design complex și necesită o temperatură de funcționare ridicată.

În general, pot fi indicate următoarele avantaje ale pilelor de combustibil:

• siguranță pentru mediu;
• generatoarele electrochimice nu trebuie să fie reîncărcate;
• generatoarele electrochimice pot crea energie în mod constant, nu le pasă de condițiile externe;
• flexibilitate în ceea ce privește amploarea și portabilitatea.

Printre dezavantaje se numără:

• dificultăți tehnice cu depozitarea și transportul combustibilului;
• elemente imperfecte ale dispozitivului: catalizatori, membrane și așa mai departe.

Celule de combustibil- ce este? Când și cum a apărut? De ce este nevoie și de ce se vorbește atât de des pe vremea noastră? Care sunt domeniile sale de aplicare, caracteristici și proprietăți? Progresul de neoprit necesită răspunsuri la toate aceste întrebări!

Ce este o celulă de combustibil?

Celule de combustibil este o sursă chimică de curent sau un generator electrochimic, un dispozitiv pentru conversia energiei chimice în energie electrică. În viața modernă, sursele de curent chimic sunt folosite peste tot și sunt baterii pentru telefoane mobile, laptopuri, PDA-uri, precum și baterii reîncărcabile în mașini, surse de alimentare neîntreruptibile etc. Următoarea etapă în dezvoltarea acestei zone va fi omniprezenta celulelor de combustibil, iar acest lucru este deja un fapt irefutabil.

Istoria pilelor de combustibil

Istoria pilelor de combustibil este o altă poveste despre modul în care proprietățile materiei, odată descoperite pe Pământ, au găsit o largă aplicare în spațiu și la sfârșitul mileniului s-au întors din cer pe Pământ.

Totul a început în 1839 când chimistul german Christian Schönbein a publicat principiile celulei de combustibil în Jurnalul filosofic. În același an, un englez, absolvent de Oxford, William Robert Grove a proiectat o celulă galvanică, numită ulterior celula galvanică a lui Grove, fiind recunoscută și ca prima celulă de combustibil. Numele „pilă de combustibil” a fost dat invenției în anul aniversării sale - în 1889. Ludwig Mond și Karl Langer sunt autorii termenului.

Puțin mai devreme, în 1874, Jules Verne, în romanul său „Insula misterioasă”, a prezis situația actuală a energiei, scriind că „Apa va fi folosită într-o zi ca combustibil, se vor folosi hidrogen și oxigen care o compun”.

Între timp, noua tehnologie de alimentare cu energie se îmbunătățea treptat și, din anii 50 ai secolului XX, nu a trecut niciun an fără anunțurile ultimelor invenții în acest domeniu. În 1958, primul tractor cu celule de combustibil a apărut în Statele Unite, în 1959. a fost eliberată o sursă de alimentare de 5kW pentru o mașină de sudat etc. În anii 70, tehnologia hidrogenului a decolat în spațiu: au apărut avioane și motoare cu rachetă cu hidrogen. În anii 60, RSC Energia a dezvoltat celule de combustibil pentru programul lunar sovietic. De asemenea, programul Buran nu s-a lipsit de ele: au fost dezvoltate celule de combustibil alcaline de 10 kW. Și spre sfârșitul secolului, pilele de combustibil au traversat altitudinea zero deasupra nivelului mării - pe baza lor, alimentare electrică Submarin german. Revenind pe Pământ, prima locomotivă a fost pusă în funcțiune în Statele Unite în 2009. Bineînțeles, pe pilele de combustibil.

Interesant este că de-a lungul frumoasei istorii a pilelor de combustibil, roata este încă o invenție de neegalat în natură. Faptul este că, în ceea ce privește structura și principiul lor de funcționare, celulele de combustibil sunt similare cu o celulă biologică, care, de fapt, este o celulă miniatură de combustibil hidrogen-oxigen. Drept urmare, omul a inventat încă o dată ceea ce natura folosește de milioane de ani.

Cum funcționează celulele de combustibil

Principiul de funcționare a pilelor de combustibil este evident chiar și din programa școlară de chimie și el a fost stabilit în experimentele lui William Grove în 1839. Problema este că procesul de electroliză a apei (disocierea apei) este reversibil. Așa cum este adevărat că atunci când un curent electric este trecut prin apă, acesta din urmă se împarte în hidrogen și oxigen, tot așa este și opusul: hidrogenul și oxigenul pot fi combinate pentru a produce apă și electricitate. În experimentul lui Grove, doi electrozi au fost plasați într-o cameră în care au fost furnizate porțiuni limitate de hidrogen pur și oxigen sub presiune. Datorită volumelor mici de gaz, precum și datorită proprietăților chimice ale electrozilor de carbon, a avut loc o reacție lentă în cameră cu eliberarea de căldură, apă și, cel mai important, cu formarea unei diferențe de potențial între electrozi .

Cea mai simplă celulă de combustibil constă dintr-o membrană specială utilizată ca electrolit, pe ambele părți ale cărora se aplică electrozi pulverizați. Hidrogenul curge pe o parte (anod) și oxigenul (aerul) pe cealaltă parte (catod). La fiecare electrod au loc diferite reacții chimice. La anod, hidrogenul se descompune într-un amestec de protoni și electroni. În unele celule de combustibil, electrozii sunt înconjurați de un catalizator, de obicei din platină sau alte metale nobile care facilitează reacția de disociere:

2H 2 → 4H + + 4e -

unde H 2 este o moleculă de hidrogen diatomic (forma în care hidrogenul este prezent sub forma unui gaz); H + - hidrogen ionizat (proton); e - - electron.

Pe partea catodică a celulei de combustibil, protonii (trecuți prin electrolit) și electronii (care treceau printr-o sarcină externă) se reunesc și reacționează cu oxigenul furnizat catodului pentru a forma apă:

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Reacție totalăîntr-o celulă de combustibil este scris astfel:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Funcționarea unei celule de combustibil se bazează pe faptul că electrolitul trece protoni prin el însuși (spre catod), dar electronii nu. Electronii se deplasează către catod de-a lungul unui circuit conductiv extern. Această mișcare a electronilor este un curent electric care poate fi utilizat pentru a conduce un dispozitiv extern conectat la o celulă de combustibil (încărcare, de exemplu, un bec):

Pilele de combustibil folosesc hidrogen combustibil și oxigen în activitatea lor. Cea mai ușoară cale este oxigenul - este luat din aer. Hidrogenul poate fi furnizat direct dintr-un recipient sau prin separarea acestuia de o sursă externă de combustibil (gaz natural, benzină sau alcool metilic - metanol). În cazul unei surse externe, aceasta trebuie transformată chimic pentru a extrage hidrogen. În prezent, majoritatea tehnologiilor cu celule de combustibil dezvoltate pentru dispozitive portabile utilizează metanol.

Caracteristicile celulei de combustibil

Pilele de combustibil sunt similare bateriilor existente în sensul că în ambele cazuri, energia electrică este obținută din energia chimică. Dar există și diferențe fundamentale:

• funcționează numai atât timp cât combustibilul și oxidantul sunt furnizați dintr-o sursă externă (adică nu pot stoca energie electrică),

  compoziția chimică a electrolitului nu se modifică în timpul funcționării (celula de combustibil nu trebuie să fie reîncărcată),

  sunt complet independente de electricitate (în timp ce bateriile convenționale stochează energie de la rețea).

Fiecare celulă de combustibil creează tensiune în 1V... O tensiune mai mare se realizează conectându-le în serie. Creșterea puterii (curentului) se realizează prin conexiunea paralelă a cascadelor de celule de combustibil conectate în serie.

Celule de combustibil nu există o limită dură a eficienței ca la motoarele termice (eficiența ciclului Carnot este eficiența maximă posibilă între toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime).

Eficiență ridicată realizată prin conversia directă a energiei combustibile în electricitate. Dacă combustibilul este ars mai întâi într-un grup electrogen diesel, aburul sau gazul rezultat acționează o turbină sau arborele unui motor cu ardere internă, care la rândul său acționează un generator electric. Rezultatul este o eficiență de maximum 42%, mai des este de aproximativ 35-38%. Mai mult, datorită multitudinii de legături, precum și datorită limitărilor termodinamice privind eficiența maximă a motoarelor termice, este puțin probabil ca eficiența existentă să crească mai mult. Pilele de combustibil existente Eficiența este de 60-80%,

Eficiența aproape nu depinde de factorul de încărcare,

Capacitatea este de câteva ori mai mare decât în ​​bateriile existente,

Complet fără emisii dăunătoare mediului... Doar vaporii de apă curati și energia termică sunt eliberate (spre deosebire de generatoarele de motorină, care au emisii poluante de evacuare și necesită eliminarea acestora).

Tipuri de celule de combustibil

Celule de combustibil clasificate din următoarele motive:

după combustibilul folosit,

prin presiune de lucru și temperatură,

prin natura cererii.

În general, se disting următoarele tipuri de celule de combustibil:

Celule de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pila de combustie cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC);

Pila de combustibil reversibilă (RFC)

Pilă de combustibil cu metanol direct (DMFC);

Celule de combustibil carbonat topit (MCFC);

Pilele de combustie cu acid fosforic (PAFC);

Pile de combustie alcaline (AFC).

Unul dintre tipurile de celule de combustibil care funcționează la temperaturi și presiuni normale folosind hidrogen și oxigen sunt celulele cu membrană cu schimb de ioni. Apa rezultată nu dizolvă electrolitul solid, curge în jos și este ușor de descărcat.

Probleme cu pilele de combustibil

Principala problemă cu celulele de combustibil este asociată cu necesitatea de hidrogen „ambalat”, care ar putea fi achiziționat gratuit. Evident, problema ar trebui rezolvată în timp, dar până acum situația provoacă un zâmbet ușor: care este primul - puiul sau oul? Celulele de combustibil nu sunt încă suficient de avansate pentru a construi hidrogeni, dar progresul lor este de neconceput fără aceste plante. Aici observăm problema sursei de hidrogen. În acest moment, hidrogenul este obținut din gaze naturale, dar creșterea costului transportatorilor de energie va crește și prețul hidrogenului. În acest caz, prezența CO și H 2 S (hidrogen sulfurat) în hidrogen din gazele naturale este inevitabilă, ceea ce otrăvește catalizatorul.

Catalizatorii obișnuiți de platină utilizează un metal foarte scump și de neînlocuit în mod natural - platina. Cu toate acestea, este planificată rezolvarea acestei probleme prin utilizarea catalizatorilor pe bază de enzime, care sunt substanțe ieftine și ușor de produs.

Căldura generată este, de asemenea, o problemă. Eficiența va crește brusc dacă căldura generată este direcționată către un canal util - pentru a produce energie termică pentru sistemul de alimentare cu căldură, folosiți-o ca căldură reziduală în absorbție mașini frigorifice etc.

Celule de combustibil cu metanol (DMFC): aplicații reale

Celulele de combustibil cu metanol direct (DMFC) prezintă astăzi cel mai mare interes practic. Un laptop Portege M100 alimentat de o celulă de combustibil DMFC arată astfel:

Un circuit tipic al unui element DMFC conține, pe lângă anod, catod și membrană, mai multe componente suplimentare: un cartuș de combustibil, un senzor de metanol, o pompă de circulație a combustibilului, o pompă de aer, un schimbător de căldură etc.

Timpul de funcționare, de exemplu, al unui laptop în comparație cu bateriile este planificat să fie mărit de 4 ori (până la 20 de ore), un telefon mobil - până la 100 de ore în modul activ și până la șase luni în modul de așteptare. Reîncărcarea va fi efectuată prin adăugarea unei porțiuni de metanol lichid.

Sarcina principală este de a găsi opțiuni pentru utilizarea soluției de metanol cu ​​cea mai mare concentrație. Problema este că metanolul este o otravă destul de puternică, letală în doze de câteva zeci de grame. Dar concentrația de metanol afectează în mod direct durata muncii. Dacă anterior a fost utilizată o soluție de metanol 3-10%, atunci telefoanele mobile și PDA-urile care folosesc o soluție de 50% au apărut deja, iar în 2008, în condiții de laborator, MTI MicroFuel Cells și, puțin mai târziu, specialiștii Toshiba au obținut pile de combustibil care funcționează pe metanol pur.

Pilele de combustibil sunt viitorul!

În cele din urmă, dovada marelui viitor al celulelor de combustibil este dovedită de faptul că organizația internațională IEC (International Electrotechnical Commission), care definește standardele industriale pentru dispozitivele electronice, a anunțat deja crearea unui grup de lucru pentru dezvoltarea unui standard internațional pentru celule de combustie miniaturale.

Nu veți surprinde pe nimeni, fie cu panouri solare, fie cu turbine eoliene, care generează electricitate în toate regiunile lumii. Dar generarea de pe aceste dispozitive nu este constantă și trebuie să instalați surse de alimentare de rezervă sau să vă conectați la rețea pentru a genera electricitate în perioada în care instalațiile RES nu generează electricitate. Cu toate acestea, există instalații dezvoltate în secolul al XIX-lea care utilizează combustibili „alternativi” pentru a genera electricitate, adică nu ard gaze sau produse petroliere. Pilele de combustibil sunt astfel de instalații.

ISTORIA CREAȚIEI

Pilele de combustibil (FC) sau pilele de combustibil au fost descoperite în 1838-1839 de William Grove (Grove, Grove), când studia electroliza apei.

Referință: Electroliza apei este procesul de descompunere a apei sub acțiunea unui curent electric în molecule de hidrogen și oxigen

Deconectând bateria de la celula electrolitică, a fost surprins să constate că electrozii au început să absoarbă gazul evoluat și să genereze curent. Descoperirea procesului de ardere electrochimică „rece” a hidrogenului a devenit un eveniment semnificativ în industria energiei electrice. Mai târziu a creat bateria Grove. Acest dispozitiv avea un electrod de platină scufundat în acid azotic și un electrod de zinc în sulfat de zinc. A generat un curent de 12 amperi și o tensiune de 8 volți. Grow însuși a numit această construcție „Baterie umedă”... Apoi a creat o baterie folosind doi electrozi de platină. Un capăt al fiecărui electrod era în acid sulfuric, iar celelalte capete erau sigilate în recipiente cu hidrogen și oxigen. A existat un curent stabil între electrozi, iar cantitatea de apă din interiorul recipientelor a crescut. Grow a reușit să descompună și să îmbunătățească apa din acest dispozitiv.

„Bateria crește”

(sursa: Societatea Regală a Muzeului Național de Istorie Naturală)

Termenul „pilă de combustibil” (eng. „Pilă de combustibil”) a apărut abia în 1889 de L. Mond și
C. Langer, care a încercat să creeze un dispozitiv pentru generarea de energie electrică din aer și gaz de cărbune.

CUM FUNCTIONEAZA?

Celula de combustibil este un dispozitiv relativ simplu... Are doi electrozi: anodul (electrod negativ) și catodul (electrod pozitiv). O reacție chimică are loc pe electrozi. Pentru a-l accelera, suprafața electrozilor este acoperită cu un catalizator. TE sunt echipate cu încă un element - o membrană. Transformarea energiei chimice a combustibilului direct în electricitate se datorează lucrării membranei. Se separă cele două camere ale celulei, care sunt alimentate cu combustibil și oxidant. Membrana permite doar protonilor, care sunt obținuți ca urmare a divizării combustibilului, să treacă dintr-o cameră în alta, pe un electrod acoperit cu un catalizator (electronii, în acest caz, trec prin circuitul extern). În a doua cameră, protonii se reunesc cu electroni (și atomi de oxigen) pentru a forma apă.

Cum funcționează o celulă de combustibil cu hidrogen

La nivel chimic, procesul de conversie a energiei combustibile în energie electrică este similar procesului obișnuit de ardere (oxidare).

În arderea normală a oxigenului, combustibilul organic este oxidat, iar energia chimică a combustibilului este transformată în energie termică. Să vedem ce se întâmplă atunci când hidrogenul este oxidat de oxigen într-un mediu electrolitic și în prezența electrozilor.

Prin alimentarea cu hidrogen a unui electrod într-un mediu alcalin, are loc o reacție chimică:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

După cum puteți vedea, obținem electroni care, trecând prin circuitul extern, intră în electrodul opus, la care intră oxigenul și unde are loc reacția:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Se poate observa că reacția rezultată 2H 2 + O 2 → H 2 O este aceeași ca în arderea convențională, dar într-o celulă de combustibil se produce un curent electric și parțial căldură.

TIPURI DE CELULE DE COMBUSTIBIL

Celulele de combustibil sunt clasificate în funcție de tipul de electrolit utilizat pentru reacție:

Rețineți că cărbunele, monoxidul de carbon, alcoolii, hidrazina și alte substanțe organice pot fi, de asemenea, utilizate ca combustibil în celulele cu combustibil, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizate ca oxidanți.

EFICIENȚA CELULEI DE COMBUSTIBIL

O caracteristică a pilelor de combustie este fără limită de eficiență ca motoarele termice.

Ajutor: eficiențăCiclul Carnot este cea mai mare eficiență posibilă între toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime.

Prin urmare, eficiența celulelor de combustibil în teorie poate fi mai mare de 100%. Mulți au zâmbit și s-au gândit: „Mașina de mișcare perpetuă a inventat mijloace”. Nu, aici merită să reveniți la cursul de chimie al școlii. O celulă de combustibil se bazează pe conversia energiei chimice în energie electrică. Aici intervin miracolele. Anumite reacții chimice pe parcursul cursului pot absorbi căldura din mediu.

Referință: Reacțiile endotermice sunt reacții chimice însoțite de absorbția căldurii. Pentru reacțiile endotermice, schimbarea entalpiei și a energiei interne au valori pozitive (Δ H >0, Δ U > 0), astfel, produsele de reacție conțin mai multă energie decât componentele inițiale.

Un exemplu de astfel de reacție este oxidarea hidrogenului, care este utilizat în majoritatea pilelor de combustibil. Prin urmare, teoretic, eficiența poate fi mai mare de 100%. Dar astăzi, celulele de combustibil se încălzesc în timpul funcționării și nu pot absorbi căldura din mediu.

Referință: Această limitare este impusă de a doua lege a termodinamicii. Procesul de transfer de căldură de la un corp „rece” la unul „fierbinte” nu este posibil.

În plus, există pierderi asociate proceselor de neechilibru. Cum ar fi: pierderile ohmice datorate conductivității specifice a electrolitului și electrozilor, activarea și polarizarea concentrației, pierderile de difuzie. Ca urmare, o parte din energia generată în celulele de combustibil este transformată în căldură. Prin urmare, celulele de combustibil nu sunt mașini cu mișcare perpetuă și eficiența lor este mai mică de 100%. Dar eficiența lor este mai mare decât cea a altor mașini. Azi eficiența pilelor de combustibil ajunge la 80%.

Referinţă:În anii patruzeci, inginerul englez T. Bacon a proiectat și a construit o baterie de pile de combustibil cu o capacitate totală de 6 kW și o eficiență de 80%, funcționând pe hidrogen pur și oxigen, dar raportul putere-greutate al bateriei s-a dovedit a fi prea mică - astfel de celule nu erau adecvate pentru utilizare practică și erau prea scumpe (sursă: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEME DE CELUTA DE COMBUSTIBIL

Aproape toate celulele de combustibil folosesc hidrogenul ca combustibil, deci apare o întrebare logică: „Unde îl pot obține?”

Se pare că celula de combustibil a fost descoperită ca urmare a electrolizei, deci puteți utiliza hidrogenul eliberat ca urmare a electrolizei. Dar să aruncăm o privire mai atentă asupra acestui proces.

Conform legii lui Faraday: cantitatea de substanță care este oxidată la anod sau redusă la catod este proporțională cu cantitatea de electricitate trecută prin electrolit. Aceasta înseamnă că, pentru a obține mai mult hidrogen, trebuie să cheltuiți mai multă energie electrică. Metodele existente de electroliză a apei au o eficiență mai mică decât unitatea. Apoi, folosim hidrogenul obținut în pilele de combustibil, unde eficiența este, de asemenea, mai mică decât unitatea. Prin urmare, vom cheltui mai multă energie decât putem genera.

Desigur, poate fi utilizat hidrogenul obținut din gazele naturale. Această metodă de producere a hidrogenului rămâne cea mai ieftină și cea mai populară. În prezent, aproximativ 50% din hidrogenul produs la nivel mondial este obținut din gaze naturale. Dar există o problemă cu stocarea și transportul hidrogenului. Hidrogenul are o densitate scăzută ( un litru de hidrogen cântărește 0,0846 g), prin urmare, pentru a-l transporta pe distanțe mari, trebuie comprimat. Și aceasta reprezintă costuri suplimentare pentru energie și bani. De asemenea, nu uitați de siguranță.

Cu toate acestea, există și o soluție - combustibilul cu hidrocarburi lichide poate fi utilizat ca sursă de hidrogen. De exemplu, alcool etilic sau metilic. Este adevărat, un dispozitiv suplimentar special este deja necesar aici - un convertor de combustibil, care la temperaturi ridicate (pentru metanol va fi undeva la aproximativ 240 ° C) transformând alcoolii într-un amestec de H2 gazos și CO 2. Dar în acest caz, este deja mai dificil să ne gândim la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bune de utilizat ca staționare sau generatoare auto, dar pentru echipamente mobile compacte aveți nevoie de ceva mai puțin greoi.

Catalizator

Pentru a crește progresul reacției în FC, suprafața anodului este de obicei un catalizator. Până de curând, platina era folosită ca catalizator. Prin urmare, costul celulei de combustibil a fost ridicat. În al doilea rând, platina este un metal relativ rar. Potrivit experților, în producția industrială de celule de combustibil, rezervele explorate de platină se vor epuiza în 15-20 de ani. Dar oamenii de știință din întreaga lume încearcă să înlocuiască platina cu alte materiale. Apropo, unii dintre ei au obținut rezultate bune. Astfel, oamenii de știință chinezi au înlocuit platina cu oxid de calciu (sursa: www.cheburek.net).

UTILIZAREA CELULELOR DE COMBUSTIBIL

Pentru prima dată, o celulă de combustibil a fost testată pe autovehicule în 1959. Tractorul Alice-Chambers a folosit 1008 baterii pentru funcționare. Combustibilul era un amestec de gaze, în principal propan și oxigen.

Sursa: http://www.planetseed.com/

De la mijlocul anilor 60, la apogeul „cursei spațiale”, creatorii de nave spațiale au devenit interesați de celulele de combustibil. Munca a mii de oameni de știință și ingineri a făcut posibilă atingerea unui nou nivel, iar în 1965. Celulele de combustibil au fost testate în SUA pe nava spațială Gemini-5 și mai târziu pe nava spațială Apollo pentru zboruri către Lună și în cadrul programului Shuttle. În URSS, pilele de combustibil au fost dezvoltate la NPO Kvant, de asemenea, pentru utilizare în spațiu (sursă: http://www.powerinfo.ru/).

Deoarece produsul final al arderii hidrogenului într-o celulă de combustibil este apa, acestea sunt considerate cele mai curate din punct de vedere al impactului asupra mediului. Prin urmare, pilele de combustibil au început să-și câștige popularitatea pe fondul unui interes general pentru ecologie.

Deja, producători auto precum Honda, Ford, Nissan și Mercedes-Benz au creat vehicule cu pilă de combustibil cu hidrogen.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force alimentat cu hidrogen

Când se utilizează autoturisme cu hidrogen, problema depozitării hidrogenului este rezolvată. Construirea stațiilor de alimentare cu hidrogen va face posibilă umplerea oriunde. Mai mult, alimentarea cu hidrogen a unei mașini este mai rapidă decât încărcarea unei mașini electrice la o benzinărie. Dar la implementarea unor astfel de proiecte, ne-am confruntat cu o problemă precum cea a vehiculelor electrice. Oamenii sunt gata să „treacă” la o mașină alimentată cu hidrogen, dacă există o infrastructură pentru ei. Și construcția benzinăriilor va începe dacă există un număr suficient de consumatori. Prin urmare, am ajuns din nou la dilema ouălor și a puiului.

Celulele de combustibil sunt utilizate pe scară largă în telefoanele mobile și laptopurile. A trecut deja timpul când telefonul a fost încărcat o dată pe săptămână. Acum telefonul se încarcă, aproape în fiecare zi, iar laptopul funcționează fără rețea timp de 3-4 ore. Prin urmare, producătorii de tehnologie mobilă au decis să sintetizeze o celulă de combustibil cu telefoane și laptopuri pentru încărcare și funcționare. De exemplu, compania Toshiba în 2003. a demonstrat un prototip terminat de celulă de combustibil cu metanol. Oferă o putere de aproximativ 100mW. O umplere în 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de funcționare a playerului MP3. Din nou, același „Toshiba” a demonstrat o baterie pentru notebook-uri cu dimensiuni de 275x75x40mm, care permite computerului să funcționeze timp de 5 ore de la o realimentare.

Dar unii producători au mers mai departe. Compania PowerTrekk a lansat un încărcător cu același nume. PowerTrekk este primul încărcător de apă din lume. Este foarte ușor de utilizat. Apa trebuie adăugată la PowerTrekk pentru a furniza energie instantanee prin cablul USB. Această celulă de combustibil conține pulbere de siliciu și silicură de sodiu (NaSi) atunci când este amestecată cu apă, această combinație generează hidrogen. Hidrogenul se amestecă cu aerul în celula de combustie însăși și transformă hidrogenul în electricitate prin schimbul său membrană-proton, fără ventilatoare sau pompe. Puteți cumpăra un astfel de încărcător portabil cu 149 € (

Electronica mobilă în fiecare an, dacă nu lunar, devine mai accesibilă și mai răspândită. Aici aveți laptopuri, PDA-uri, camere digitale, telefoane mobile și multe alte dispozitive utile și nu atât de utile. Și toate aceste dispozitive câștigă continuu noi caracteristici, procesoare mai puternice, ecrane color mai mari, conectivitate wireless, în timp ce se micșorează. Dar, spre deosebire de tehnologiile cu semiconductori, tehnologiile de putere ale acestei întregi menajerii mobile nu sunt deloc pas cu pas.

Bateriile reîncărcabile convenționale și bateriile nu sunt în mod clar suficiente pentru a alimenta ultimele progrese din industria electronică pentru orice moment semnificativ. Și fără baterii fiabile, de mare capacitate, se pierde întregul punct de mobilitate și fără fir. Deci, industria computerelor lucrează din ce în ce mai activ la această problemă surse de alimentare alternative... Și cea mai promițătoare direcție aici astăzi este celule de combustibil.

Principiul de bază al celulelor de combustibil a fost descoperit de omul de știință britanic Sir William Grove în 1839. Este cunoscut ca tatăl „pilei de combustibil”. William Grove a generat electricitate prin alterare pentru a extrage hidrogen și oxigen. Deconectând bateria de la celula electrolitică, Grove a fost surprins să constate că electrozii au început să absoarbă gazul evoluat și să genereze curent. Deschiderea unui proces arderea electrochimică „rece” a hidrogenului a devenit un eveniment semnificativ în sectorul energetic, iar mai târziu astfel de electrochimiști cunoscuți precum Ostwald și Nernst au jucat un rol important în dezvoltarea bazelor teoretice și implementarea practică a pilelor de combustibil și le-au prezis un viitor extraordinar.

Eu insumi termenul „pilă de combustibil” a apărut mai târziu - a fost propus în 1889 de Ludwig Mond și Charles Langer, care încercau să creeze un dispozitiv pentru generarea de electricitate din aer și gaz cărbune.

În arderea normală a oxigenului, combustibilul organic este oxidat, iar energia chimică a combustibilului este transformată ineficient în energie termică. Dar s-a dovedit posibil ca reacția de oxidare, de exemplu, a hidrogenului cu oxigenul, să se desfășoare într-un mediu electrolitic și, în prezența electrozilor, să obțină un curent electric. De exemplu, furnizând hidrogen unui electrod într-un mediu alcalin, obținem electroni:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

care, trecând prin circuitul extern, intră în electrodul opus, la care intră oxigenul și unde are loc reacția: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Se poate observa că reacția rezultată 2H2 + O2 → H2O este aceeași ca în combustia convențională, dar într-o celulă de combustibil, sau altfel - în generator electrochimic, un curent electric se obține cu o eficiență mare și parțial căldură. Rețineți că cărbunele, monoxidul de carbon, alcoolii, hidrazina și alte substanțe organice pot fi, de asemenea, utilizate ca combustibil în celulele cu combustibil, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizate ca oxidanți.

Dezvoltarea pilelor de combustibil a continuat energic atât în ​​străinătate, cât și în Rusia, apoi în URSS. Printre oamenii de știință care au adus o mare contribuție la studiul celulelor de combustibil, remarcăm V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. La mijlocul secolului trecut, a început o nouă furtună de probleme cu celulele de combustibil. Acest lucru se datorează parțial apariției noilor idei, materiale și tehnologii ca rezultat al cercetării apărării.

Unul dintre oamenii de știință care a făcut un pas major în dezvoltarea pilelor de combustibil a fost P. M. Spiridonov. Elementele hidrogen-oxigen ale lui Spiridonov a dat o densitate de curent de 30 mA / cm2, care pentru acel moment a fost considerată o mare realizare. În anii patruzeci, O. Davtyan a creat o instalație de ardere electrochimică a gazului generator obținută prin gazificarea cărbunelui. Pentru fiecare metru cub al volumului elementului, Davtyan a primit 5 kW de putere.

Era prima celulă de combustibil electrolit solid... Avea o eficiență ridicată, dar în timp electrolitul s-a deteriorat și a trebuit schimbat. Ulterior, Davtyan la sfârșitul anilor cincizeci a creat o instalație puternică care pune tractorul în mișcare. În aceiași ani, inginerul englez T. Bacon a proiectat și a construit o baterie de pile de combustibil cu o capacitate totală de 6 kW și o eficiență de 80%, funcționând pe hidrogen pur și oxigen, dar raportul putere-greutate al bateria sa dovedit a fi prea mică - astfel de celule nu erau adecvate pentru utilizare practică și erau prea scumpe.

În anii care au urmat, timpul celor singuri a trecut. Creatorii de nave spațiale au devenit interesați de pilele de combustibil. De la mijlocul anilor '60, milioane de dolari au fost investiți în cercetarea celulelor de combustibil. Munca a mii de oameni de știință și ingineri a făcut posibilă atingerea unui nou nivel, iar în 1965. Celulele de combustibil au fost testate în SUA pe nava spațială Gemini-5 și mai târziu pe nava spațială Apollo pentru zboruri către Lună și în cadrul programului Shuttle.

În URSS, pilele de combustibil au fost dezvoltate la NPO Kvant, de asemenea, pentru utilizare în spațiu. În acei ani, au apărut deja materiale noi - electroliți polimeri solizi pe bază de membrane schimbătoare de ioni, noi tipuri de catalizatori, electrozi. Cu toate acestea, densitatea curentului de lucru a fost mică - în limita a 100-200 mA / cm2, iar conținutul de platină pe electrozi a fost de câțiva g / cm2. Au existat multe probleme legate de durabilitate, stabilitate, siguranță.

Următoarea etapă a dezvoltării rapide a pilelor de combustibil a început în anii '90. secolul trecut și continuă acum. Este cauzată de necesitatea unor noi surse de energie eficiente în legătură, pe de o parte, cu problema globală de mediu a emisiilor crescânde de gaze cu efect de seră din arderea combustibililor fosili și, pe de altă parte, cu epuizarea acestui combustibil rezerve. Deoarece produsul final al arderii hidrogenului într-o celulă de combustibil este apa, acestea sunt considerate cele mai curate din punct de vedere al impactului asupra mediului. Principala problemă constă doar în găsirea unei metode eficiente și ieftine de producere a hidrogenului.

Miliardele de investiții financiare în dezvoltarea de celule de combustibil și generatoare de hidrogen ar trebui să conducă la o descoperire tehnologică și să le facă realitate în viața de zi cu zi: în celule pentru telefoane mobile, în mașini, în centrale electrice. Deja acum, giganți auto precum Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstrează mașini și autobuze care circulă pe pile de combustibil cu o capacitate de 50 kW. O serie de companii s-au dezvoltat centrale electrice demonstrative pe celule de combustibil cu electrolit de oxid solid cu o capacitate de până la 500 kW... Dar, în ciuda unei descoperiri semnificative în îmbunătățirea caracteristicilor celulelor de combustibil, există încă multe probleme de rezolvat legate de costul, fiabilitatea și siguranța acestora.

Într-o celulă de combustibil, spre deosebire de baterii și acumulatori, atât combustibilul, cât și oxidantul îi sunt furnizate din exterior. Celula de combustibil este doar un intermediar în reacție și, în condiții ideale, ar putea funcționa aproape pentru totdeauna. Frumusețea acestei tehnologii este că, de fapt, elementul arde combustibil și transformă direct energia eliberată în electricitate. Cu arderea directă a combustibilului, acesta este oxidat de oxigen, iar căldura eliberată în timpul acestuia este utilizată pentru a efectua lucrări utile.

Într-o celulă de combustibil, ca și în baterii, reacțiile de oxidare a combustibilului și de reducere a oxigenului sunt separate spațial, iar procesul de „combustie” are loc numai dacă celula furnizează curent sarcinii. E ca și cum generator electric diesel, numai fără motorină și generator... Și, de asemenea, fără fum, zgomot, supraîncălzire și cu o eficiență mult mai mare. Acesta din urmă se explică prin faptul că, în primul rând, nu există dispozitive mecanice intermediare și, în al doilea rând, celula de combustibil nu este un motor termic și, ca urmare, nu respectă legea Carnot (adică eficiența sa nu este determinată de diferența de temperatură).

Oxigenul este utilizat ca agent oxidant în celulele de combustie. Mai mult, deoarece există suficient oxigen în aer, nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la alimentarea cu oxidant. Combustibilul este hidrogen. Deci, o reacție are loc în celula de combustibil:

2H2 + O2 → 2H2O + electricitate + căldură.

Rezultatul este energie utilă și vapori de apă. Cel mai simplu în structura sa este pile de combustie cu membrană de schimb de protoni(vezi figura 1). Funcționează după cum urmează: hidrogenul care intră în element se descompune sub acțiunea catalizatorului în electroni și în ioni de hidrogen încărcați pozitiv H +. Apoi intră în joc o membrană specială, care joacă rolul unui electrolit într-o baterie convențională. Datorită compoziției sale chimice, permite protonilor să treacă prin sine, dar reține electronii. Astfel, electronii acumulați la anod creează o sarcină negativă în exces, iar ionii de hidrogen creează o sarcină pozitivă la catod (tensiunea din celulă este de aproximativ 1V).

Pentru a crea o putere mare, o celulă de combustibil este asamblată dintr-o multitudine de celule. Dacă elementul este inclus în sarcină, atunci electronii vor curge prin el către catod, creând un curent și completând procesul de oxidare a hidrogenului cu oxigen. Ca catalizator în astfel de celule de combustibil, de regulă, se utilizează microparticule de platină susținute pe fibră de carbon. Datorită structurii sale, un astfel de catalizator este foarte permeabil la gaze și electricitate. Membrana este fabricată de obicei din polimer care conține sulf, Nafion. Grosimea membranei este egală cu zecimi de milimetru. În timpul reacției, desigur, se eliberează și căldură, dar nu este atât de mult, astfel încât temperatura de funcționare este menținută în intervalul 40-80 ° C.

Fig. 1. Cum funcționează celula de combustibil

Există și alte tipuri de pile de combustibil, care diferă în principal de tipul de electrolit utilizat. Aproape toți necesită hidrogen ca combustibil, așa că apare o întrebare logică: de unde să-l obținem. Desigur, ar fi posibil să se utilizeze hidrogen comprimat din butelii, dar apar imediat probleme asociate cu transportul și depozitarea acestui gaz extrem de inflamabil sub presiune ridicată. Desigur, hidrogenul poate fi utilizat într-o formă legată ca și în bateriile cu hidrură metalică. Dar totuși, problema producției și transportului său rămâne, deoarece infrastructura de alimentare cu hidrogen nu există.

Cu toate acestea, există și o soluție - combustibilul cu hidrocarburi lichide poate fi utilizat ca sursă de hidrogen. De exemplu, alcool etilic sau metilic. Este adevărat, un dispozitiv suplimentar special este deja necesar aici - un convertor de combustibil, care transformă alcoolii într-un amestec de H2 gazos și CO2 la o temperatură ridicată (pentru metanol va fi undeva la aproximativ 240 ° C). Dar, în acest caz, este deja mai dificil să ne gândim la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bune de utilizat ca staționare sau, dar pentru echipamente mobile compacte aveți nevoie de ceva mai puțin greoi.

Și aici ajungem exact la dispozitiv, a cărui dezvoltare este realizată cu o forță teribilă de aproape toți cei mai mari producători de electronice - pilă de combustibil metanol(Figura 2).

Fig. 2. Cum funcționează o pilă de combustibil cu metanol

Diferența fundamentală dintre celulele de combustibil hidrogen și metanol constă în catalizatorul utilizat. Un catalizator dintr-o celulă de combustibil cu metanol permite eliminarea protonilor direct din molecula de alcool. Astfel, problema combustibilului este rezolvată - alcoolul metilic este produs masiv pentru industria chimică, este ușor de depozitat și transportat, iar pentru a încărca o pilă de combustibil cu metanol, este suficient să înlocuiți pur și simplu cartușul de combustibil. Cu toate acestea, există un dezavantaj semnificativ - metanolul este toxic. În plus, eficiența unei celule de combustibil cu metanol este semnificativ mai mică decât cea a unei celule de combustibil cu hidrogen.

Orez. 3. Pilă de combustibil cu metanol

Cea mai tentantă opțiune este utilizarea alcoolului etilic drept combustibil, deoarece producția și distribuția băuturilor alcoolice de orice compoziție și tărie este bine stabilită în întreaga lume. Cu toate acestea, eficiența celulelor de combustibil cu etanol, din păcate, este chiar mai mică decât cea a metanolului.

După cum sa menționat în mulți ani de dezvoltare în domeniul pilelor de combustibil, au fost construite diferite tipuri de pile de combustie. Celulele de combustibil sunt clasificate în funcție de electroliți și tipul de combustibil.

1. Electrolit polimer solid hidrogen-oxigen.

2. Celule de combustibil polimer solide metanol.

3. Celulele electrolitului alcalin.

4. Celule de combustie cu acid fosforic.

5. Pilele de combustie pe bază de carbonați topiți.

6. Pilele de combustibil cu oxid solid.

În mod ideal, eficiența pilelor de combustibil este foarte mare, dar în condiții reale există pierderi asociate proceselor de neechilibru, precum: pierderi ohmice datorate conductivității specifice a electrolitului și electrozilor, activarea și polarizarea concentrației, pierderile de difuzie. Ca urmare, o parte din energia generată în celulele de combustibil este transformată în căldură. Eforturile specialiștilor vizează reducerea acestor pierderi.

Sursa principală de pierderi ohmice, precum și motivul costului ridicat al celulelor de combustie, sunt membranele schimbătoare de cationi sulfonici perfluorurați. Căutarea este acum în desfășurare pentru polimeri alternativi, mai ieftini, care conduc protoni. Deoarece conductivitatea acestor membrane (electroliți solizi) atinge o valoare acceptabilă (10 Ohm / cm) numai în prezența apei, gazele furnizate celulei de combustibil trebuie umidizate suplimentar într-un dispozitiv special, ceea ce crește și costul sistem. În electrozii cu difuzie gazoasă catalitică, se utilizează în principal platina și alte metale nobile și până în prezent nu s-a găsit nicio înlocuire a acestora. Deși conținutul de platină din celulele de combustibil este de câteva mg / cm2, pentru bateriile mari cantitatea sa ajunge la zeci de grame.

La proiectarea celulelor de combustibil, se acordă multă atenție sistemului de eliminare a căldurii, deoarece la densități mari de curent (până la 1A / cm2), se produce autoîncălzirea sistemului. Pentru răcire, se folosește apa care circulă în celula de combustibil prin canale speciale, iar la o putere redusă, aerul este suflat.

Deci, sistemul modern de electrochimie, în plus față de celula de combustibil în sine, este „crescut” cu multe dispozitive auxiliare, cum ar fi: pompe, un compresor pentru alimentarea cu aer, admisie de hidrogen, un umidificator de gaz, o unitate de răcire, o scurgere de gaz sistem de control, un convertor DC-AC, un procesor de control și altele. Toate acestea duc la faptul că costul sistemului de celule de combustibil în 2004-2005 a fost de 2-3 mii USD / kW. Potrivit experților, celulele de combustibil vor deveni disponibile pentru utilizare în centralele de transport și staționare la un preț de 50-100 USD / kW.

Pentru introducerea pilelor de combustibil în viața de zi cu zi, împreună cu reducerea costului componentelor, ar trebui să ne așteptăm la noi idei și abordări originale. În special, se pun mari speranțe în utilizarea nanomaterialelor și a nanotehnologiei. De exemplu, mai multe companii au anunțat recent crearea unor catalizatori ultra-eficienți, în special pentru un electrod de oxigen bazat pe grupuri de nanoparticule din diferite metale. În plus, au fost raportate proiecte de celule de combustibil fără membrană în care combustibilul lichid (cum ar fi metanolul) este alimentat în celula de combustibil împreună cu un oxidant. Conceptul dezvoltat al celulelor biocombustibile care funcționează în apele poluate și consumă oxigen atmosferic dizolvat ca oxidant și impuritățile organice ca combustibil este de asemenea interesant.

Potrivit experților, celulele de combustibil vor intra pe piața de masă în următorii ani. Într-adevăr, dezvoltatorii cuceresc unul după altul probleme tehnice, raportează succesele și prezintă prototipuri de celule de combustibil. De exemplu, Toshiba a demonstrat un prototip terminat de celulă de combustibil cu metanol. Are o dimensiune de 22x56x4.5mm și oferă o putere de aproximativ 100mW. O umplere în 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de funcționare a playerului MP3. Toshiba a lansat o celulă de combustibil comercială pentru alimentarea telefoanelor mobile. Din nou, același Toshiba a demonstrat o baterie pentru notebook-uri care măsoară 275x75x40mm, permițând computerului să funcționeze timp de 5 ore de la o realimentare.

O altă companie japoneză, Fujitsu, nu rămâne în urmă cu Toshiba. În 2004, ea a introdus și un element care acționează asupra unei soluții apoase de metanol de 30%. Această celulă de combustibil a funcționat cu o singură umplutură de 300 ml timp de 10 ore și, în același timp, a furnizat 15 wați de putere.

Casio dezvoltă o celulă de combustibil în care metanolul este transformat mai întâi într-un amestec de gaze H2 și CO2 într-un convertor de combustibil miniatural și apoi alimentat în celula de combustibil. În timpul demonstrației, prototipul Casio a alimentat laptopul timp de 20 de ore.

Samsung și-a făcut un nume și în domeniul celulelor de combustibil - în 2004 și-a demonstrat prototipul de 12 W conceput pentru a alimenta un laptop. În general, Samsung intenționează să utilizeze pilele de combustibil, în primul rând, pe smartphone-urile din a patra generație.

Trebuie să spun că companiile japoneze, în general, au abordat foarte amănunțit dezvoltarea pilelor de combustibil. În 2003, companii precum Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony și Toshiba și-au unit forțele pentru a dezvolta un standard unic pentru celule de combustibil pentru laptopuri, telefoane mobile, PDA-uri și alte dispozitive electronice. Companiile americane, care sunt, de asemenea, numeroase pe această piață, lucrează mai ales în contracte cu armata și dezvoltă celule de combustibil pentru electrificarea soldaților americani.

Germanii nu sunt cu mult în urmă - Smart Fuel Cell vinde pile de combustie pentru a alimenta un birou mobil. Dispozitivul se numește Smart Fuel Cell C25, are dimensiuni de 150x112x65mm și poate livra până la 140 de wați-oră cu o singură realimentare. Acest lucru este suficient pentru a alimenta laptopul timp de aproximativ 7 ore. Apoi cartușul poate fi înlocuit și puteți continua să lucrați. Dimensiunea cartușului de metanol este de 99x63x27 mm și cântărește 150g. Sistemul în sine cântărește 1,1 kg, deci nu îl puteți numi complet portabil, dar totuși este un dispozitiv complet finisat și convenabil. Compania dezvoltă, de asemenea, un modul de combustibil pentru alimentarea camerelor video profesionale.

În general, pilele de combustibil au intrat deja pe piața electronică mobilă. Rămâne ca producătorii să rezolve ultimele probleme tehnice înainte de a începe producția în serie.

În primul rând, este necesar să se rezolve problema miniaturizării celulelor de combustibil. La urma urmei, cu cât celula de combustibil este mai mică, cu atât mai puțină va fi capabilă să furnizeze - astfel încât noi catalizatori și electrozi sunt în curs de dezvoltare constantă pentru a maximiza suprafața de lucru cu dimensiuni mici. Aici, cele mai recente evoluții în domeniul nanotehnologiei și nanomaterialelor (de exemplu, nanotuburi) sunt foarte utile. Din nou, realizările microelectromecanicii sunt utilizate din ce în ce mai mult pentru miniaturizarea conductelor elementelor (pompe de combustibil și apă, sisteme de răcire și conversie de combustibil).

A doua problemă majoră care trebuie abordată este costul. Într-adevăr, platina foarte scumpă este utilizată ca catalizator în majoritatea pilelor de combustie. Din nou, unii dintre producători încearcă să profite la maximum de tehnologiile de siliciu deja bine stabilite.

În ceea ce privește alte domenii de utilizare a pilelor de combustibil, pilele de combustibil s-au stabilit deja ferm acolo, deși nu au devenit încă obișnuite nici în sectorul energetic, nici în transport. Deja mulți producători de automobile și-au prezentat conceptul de mașini alimentate cu pile de combustie. Există autobuze cu celule de combustibil în mai multe orașe din întreaga lume. Canadian Ballard Power Systems produce o serie de generatoare staționare cuprinse între 1 și 250 kW. În același timp, generatoarele de kilowați sunt proiectate pentru a alimenta imediat un apartament cu electricitate, căldură și apă caldă.