Cum funcționează o celulă cu combustibil cu hidrogen. Pile de combustibil: an de speranță

Statele Unite au luat mai multe inițiative care vizează dezvoltarea celulelor de combustibil, a infrastructurii și a tehnologiei pentru a face vehiculele cu celule de combustibil practice și economice până în 2020. Peste un miliard de dolari au fost alocați în aceste scopuri.

Pilele de combustibil generează electricitate în mod liniștit și eficient, fără poluare. Spre deosebire de sursele de energie care utilizează combustibili fosili, produsele secundare din exploatarea celulelor de combustibil sunt căldura și apa. Cum funcționează?

În acest articol vom revizui pe scurt fiecare dintre tehnologiile de combustibil existente astăzi, precum și vom vorbi despre proiectarea și funcționarea pilelor de combustibil, le vom compara cu alte forme de producție de energie. Vom discuta, de asemenea, unele dintre barierele pe care cercetătorii le întâmpină în ceea ce privește transformarea pilelor de combustibil și accesibile pentru consumatori.

Celulele de combustibil sunt dispozitive electrochimice de conversie a energiei. O celulă de combustie transformă substanțele chimice, hidrogenul și oxigenul în apă, care generează electricitate.

Un alt dispozitiv electrochimic cu care suntem cu toții familiarizați este bateria. Bateria are toate elementele chimice necesare în sine și transformă aceste substanțe în electricitate. Aceasta înseamnă că, până la urmă, bateria „moare” și fie o aruncați, fie o încărcați din nou.

Într-o celulă de combustibil, substanțele chimice curg în el în mod constant, astfel încât să nu "moară". Electricitatea va fi generată atât timp cât vor exista substanțe chimice care intră în celulă. Majoritatea pilelor utilizate astăzi utilizează hidrogen și oxigen.

Hidrogenul este cel mai frecvent element în galaxia noastră. Cu toate acestea, hidrogenul practic nu există pe Pământ în forma sa elementară. Inginerii și oamenii de știință trebuie să extragă hidrogenul pur din compuși de hidrogen, inclusiv combustibili fosili sau apă. Pentru a produce hidrogen din acești compuși, trebuie să cheltuiți energie sub formă de căldură sau electricitate.

Invenția pilelor de combustibil

Sir William Grove a inventat prima baterie de combustibil în 1839. Grove știa că apa poate fi împărțită în hidrogen și oxigen prin trecerea unui curent electric prin ea (proces numit prin electroliza). El a sugerat că energia electrică și apa pot fi obținute în ordine inversă. El a creat o celulă de combustibil primitivă și a numit-o baterie galvanică cu gaz. Experimentând cu noua sa invenție, Grove și-a dovedit ipoteza. Cincizeci de ani mai târziu, oamenii de știință Ludwig Mond și Charles Langer au inventat acest termen celule de combustibil  în timp ce încercați să construiți un model practic pentru producția de energie electrică.

Celula de combustibil va concura cu multe alte dispozitive de conversie a energiei, inclusiv turbine cu gaz din centralele urbane, motoarele cu combustie internă a mașinilor, precum și toate tipurile de baterii. Motoarele cu combustie internă, precum turbinele cu gaz, ard diferite tipuri de combustibil și folosesc presiunea creată prin extinderea gazelor pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile transformă energia chimică în energie electrică atunci când este nevoie. Pilele de combustibil trebuie să îndeplinească aceste sarcini mai eficient.

Celula de combustibil asigură tensiune continuă (curent continuu), care poate fi utilizată pentru alimentarea motoarelor electrice, a iluminatului și a altor aparate electrice.

Există mai multe tipuri diferite de celule de combustibil, fiecare folosind un proces chimic diferit. Pilulele de combustibil sunt de obicei clasificate în funcție de temperatura de operare  și tipelectrolit,pe care le folosesc. Unele tipuri de pile de combustibil sunt potrivite pentru a fi utilizate în centralele staționare. Altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru alimentarea mașinilor. Principalele tipuri de celule de combustibil includ:

Celula de combustibil cu membrană de schimb de polimeri (PEMFC)

PEMFC este considerat cel mai probabil candidat pentru aplicații de transport. PEMFC are o putere mare și o temperatură de funcționare relativ scăzută (în intervalul de la 60 până la 80 de grade Celsius). Temperaturile scăzute de funcționare înseamnă că celulele de combustibil se pot încălzi rapid pentru a începe să genereze electricitate.

Pilule cu combustibil solid (SOFC)

Aceste pilule de combustibil sunt cele mai potrivite pentru generatoare mari de energie staționară care ar putea furniza electricitate unei fabrici sau oraș. Acest tip de pile de combustibil funcționează la temperaturi foarte ridicate (de la 700 la 1000 de grade Celsius). Temperatura ridicată constituie o problemă de fiabilitate, deoarece o parte din pilele de combustibil ar putea eșua după mai multe cicluri de pornire și oprire. Cu toate acestea, celulele combustibile solide cu oxid sunt foarte stabile în timpul funcționării continue. De fapt, SOFC-urile au demonstrat cea mai lungă durată de viață a oricărei celule de combustibil în anumite condiții. Temperatura ridicată are, de asemenea, un avantaj: aburul generat de bateriile de combustibil poate fi trimis la turbine și generează mai multă energie electrică. Acest proces se numește cogenerarea căldurii și a energiei electrice  și îmbunătățește performanța generală a sistemului.

Celulă cu combustibil alcalin (AFC)

Acesta este unul dintre cele mai vechi exemple de pilule de combustibil folosite încă din anii ’60. AFC-urile sunt foarte susceptibile la contaminare, deoarece necesită hidrogen pur și oxigen. În plus, sunt foarte scumpe, așa că este puțin probabil ca acest tip de celule de combustibil să fie introduse în producția de masă.

Celula de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Ca și SOFC, aceste pile de combustibil sunt, de asemenea, cele mai potrivite pentru centrale electrice mari și generatoare. Ei funcționează la 600 de grade Celsius, astfel încât să poată genera aburi, care la rândul lor pot fi folosiți pentru a genera și mai multă energie. Au o temperatură de funcționare mai mică decât celulele de combustibil solid, ceea ce înseamnă că nu au nevoie de astfel de materiale rezistente la căldură. Acest lucru le face puțin mai ieftine.

Pila de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Celulă de combustibil cu acid fosforicare potențial de utilizare în sisteme de alimentare staționare mici. Funcționează la o temperatură mai ridicată decât o celulă cu combustibil cu o membrană de schimb de polimeri, astfel încât durează mai mult timp până la încălzire, ceea ce o face improprie pentru utilizare în mașini.

Celule de combustibil metanol directe cu metanol (DMFC)

Celulele cu combustibil metanol sunt comparabile cu PEMFC din punct de vedere al temperaturii de funcționare, dar nu la fel de eficiente. În plus, DMFC necesită o cantitate destul de mare de platină care acționează ca un catalizator, ceea ce face ca aceste celule de combustibil să fie scumpe.

Celulă de combustibil cu membrană de schimb de polimeri

O celulă de combustibil pentru schimb de membrană polimerică (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii cu celule de combustibil. PEMFC utilizează una dintre cele mai simple reacții dintre orice celule de combustibil. Luați în considerare în ce constă.

1. A nod   - borna negativă a bateriei de combustibil. Conduce electroni care sunt eliberați din moleculele de hidrogen, după care pot fi folosiți într-un circuit extern. Acesta a gravat canale prin care hidrogenul gazos este distribuit uniform pe suprafața catalizatorului.

2.  K atod   - terminalul pozitiv al celulei de combustibil are de asemenea canale pentru distribuirea oxigenului pe suprafața catalizatorului. De asemenea, conduce electroni înapoi din circuitul extern al catalizatorului, unde se pot combina cu ionii de hidrogen și oxigen pentru a forma apă.

3.  Membrană de schimb de protoni cu electroliți. Acesta este un material special prelucrat care conduce numai ioni încărcați pozitiv și blochează electroni. La PEMFC, membrana trebuie umezită pentru a funcționa normal și a rămâne stabilă.

4. catalizator  - Acesta este un material special care promovează reacția oxigenului și a hidrogenului. De obicei este fabricat din nanoparticule de platină, foarte fin aplicate pe hârtie sau țesătură de carbon. Catalizatorul are o structură de suprafață astfel încât suprafața maximă a platinei poate fi expusă la hidrogen sau oxigen.

Figura prezintă hidrogen gazos (H2) care intră în celula de combustibil din partea anodului sub presiune. Când molecula H2 este în contact cu platina pe catalizator, aceasta este separată în doi ioni H + și doi electroni. Electronii trec prin anod, unde sunt folosiți într-un circuit extern (efectuând lucrări utile, de exemplu, rotirea motorului) și se întorc pe partea catodului a bateriei.

Între timp, pe partea catodică a pilei de combustibil, oxigenul (O2) din aer trece prin catalizator, unde formează doi atomi de oxigen. Fiecare dintre acești atomi are o încărcătură negativă puternică. Această încărcare negativă atrage doi ioni H + prin membrană, unde se combină cu un atom de oxigen și doi electroni care provin dintr-un circuit extern pentru a forma o moleculă de apă (H2O).

Această reacție într-o singură celulă de combustibil produce doar aproximativ 0,7 Volți. Pentru a crește tensiunea la un nivel rezonabil, multe pilule individuale de combustibil trebuie combinate pentru a forma o stivă de pile de combustibil. Plăcile bipolare sunt utilizate pentru a conecta o celulă de combustibil la alta și a suferi oxidare cu potențial redus. Marea problemă a plăcilor bipolare este stabilitatea lor. Plăcile metalice bipolare pot fi corodate prin coroziune, iar produsele secundare (ioni de fier și crom) reduc eficiența membranelor și electrozilor pilelor de combustibil. Prin urmare, celulele cu combustibil la temperatură scăzută folosesc metale ușoare, grafit și compuși compuși de carbon și material termosimetric (materialul termosetant este un fel de plastic care rămâne solid chiar și atunci când este expus la temperaturi ridicate) sub forma unui material bipolar.

Eficiența celulelor de combustibil

Reducerea poluării este unul dintre obiectivele principale ale unei pile de combustibil. Comparând o mașină alimentată de o celulă de combustibil cu o mașină alimentată de un motor pe benzină și o mașină alimentată de o baterie, veți vedea cum celulele de combustibil ar putea crește eficiența mașinilor.

Deoarece toate cele trei tipuri de mașini au multe dintre aceleași componente, vom ignora această parte a mașinii și vom compara beneficiile cu punctul în care este produsă energia mecanică. Să începem cu o mașină cu baterie.

Dacă o celulă este alimentată cu hidrogen pur, eficiența sa poate fi de până la 80 la sută. Astfel, acesta transformă 80% din conținutul de energie al hidrogenului în energie electrică. Cu toate acestea, trebuie să convertim energia electrică în lucru mecanic. Acest lucru este realizat de un motor electric și un invertor. Eficiența motorului + invertorului este, de asemenea, de aproximativ 80%. Aceasta oferă o eficiență totală de aproximativ 80 * 80/100 \u003d 64%. Se pare că vehiculul concept Honda FCX are o eficiență energetică de 60%.

Dacă sursa de combustibil nu este sub formă de hidrogen pur, vehiculul va avea nevoie și de un reformator. Reformatorii transformă combustibilii în hidrocarburi sau alcool. Acestea generează căldură și produc CO și CO2 în plus față de hidrogen. Pentru purificarea hidrogenului produs se folosesc diverse dispozitive, dar această purificare este insuficientă și reduce eficiența celulei de combustibil. Prin urmare, cercetătorii au decis să se concentreze pe pilele de combustibil pentru vehiculele care operează pe hidrogen pur, în ciuda problemelor asociate cu producția și stocarea de hidrogen.

Eficiența unui motor pe benzină și a unui vehicul electric

Eficiența unei mașini alimentate cu benzină este surprinzător de scăzută. Toată căldura care iese ca evacuare sau este absorbită de calorifer este pierdută de energie. De asemenea, motorul folosește multă energie, rotind diverse pompe, ventilatoare și generatoare care susțin funcționarea acestuia. Astfel, eficiența generală a unui motor pe benzină auto este de aproximativ 20 la sută. Astfel, doar aproximativ 20 la sută din conținutul de energie termică al benzinei este transformat în lucru mecanic.

Un vehicul electric cu baterie are o eficiență destul de ridicată. Bateria are o eficiență de aproximativ 90% (majoritatea bateriilor produc o anumită căldură sau necesită încălzire), iar un motor electric + invertor cu o eficiență de aproximativ 80%. Acest lucru oferă o eficiență totală de aproximativ 72 la sută.

Dar asta nu este totul. Pentru ca mașina electrică să se miște, electricitatea trebuie mai întâi produsă undeva. Dacă a fost o centrală care a folosit procesul de ardere a combustibililor fosili (mai degrabă decât nucleare, hidroelectrice, solare sau eoliene), doar aproximativ 40% din combustibilul consumat de centrala a fost transformat în energie electrică. În plus, procesul de încărcare a autoturismului necesită conversia alimentării de curent alternativ (AC) în curent continuu (CC). Acest proces are o eficiență de aproximativ 90%.

Acum, dacă ne uităm la întregul ciclu, eficiența unei mașini electrice este de 72 la sută pentru mașina în sine, 40 la sută pentru centrala electrică și 90 la sută pentru încărcarea mașinii. Acest lucru oferă o eficiență deplină de 26 la sută. Eficiența completă variază foarte mult în funcție de ce centrală electrică este folosită pentru a încărca bateria. Dacă energia electrică pentru o mașină este produsă, de exemplu, de o centrală hidroelectrică, atunci eficiența unei mașini electrice va fi de aproximativ 65%.

Oamenii de știință cercetează și îmbunătățesc proiectele pentru a continua creșterea eficienței celulelor de combustibil. Una dintre noile abordări este combinarea autovehiculelor cu baterii și baterii. Un vehicul concept este dezvoltat, condus de o transmisie hibridă alimentată de o celulă de combustibil. Folosește o baterie cu litiu pentru a alimenta mașina, în timp ce bateria reîncarcă bateria.

Vehiculele cu baterii de combustibil sunt potențial la fel de eficiente ca o mașină alimentată cu baterii care este încărcată de la o centrală care nu utilizează combustibili fosili. Dar atingerea acestui potențial într-un mod practic și accesibil poate fi dificilă.

De ce să folosești pilele de combustibil?

Motivul principal este tot ce ține de petrol. America ar trebui să importe aproape 60 la sută din petrolul său. Până în 2025, se preconizează că importurile vor crește până la 68%. Două treimi din petrolul american utilizează zilnic pentru transport. Chiar dacă fiecare mașină de pe stradă ar fi o mașină hibridă, până în 2025 Statele Unite ar trebui totuși să folosească aceeași cantitate de ulei pe care americanii o consumaseră în 2000. De fapt, America consumă un sfert din totalul petrolului din lume, deși aici doar 4,6% din populația lumii trăiește.

Experții se așteaptă ca prețurile petrolului să continue să crească în următoarele câteva decenii, pe măsură ce sursele mai ieftine sunt epuizate. Companiile petroliere trebuie să dezvolte câmpuri petroliere în condiții din ce în ce mai dificile, ceea ce va crește prețul petrolului.

Temerile se extind cu mult peste securitatea economică. Multe încasări din vânzarea de petrol sunt cheltuite pentru susținerea terorismului internațional, a partidelor politice radicale și a situației instabile în regiunile producătoare de petrol.

Folosirea petrolului și a altor combustibili fosili pentru a genera energie produce poluare. Cel mai bine este ca toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.

Pilulele de combustibil sunt o alternativă atractivă pentru dependența de ulei. Celulele de combustibil în loc de poluare produc apă pură ca produs secundar. În timp ce inginerii s-au concentrat temporar pe producția de hidrogen din diferite surse fosile, cum ar fi benzina sau gazul natural, în viitor sunt studiate modalități de producere a hidrogenului ecologice. Cel mai promițător, desigur, va fi procesul de producere a hidrogenului din apă

Dependența de ulei și încălzirea globală sunt o problemă internațională. Mai multe țări sunt implicate în comun în dezvoltarea cercetării și dezvoltării tehnologiei cu celule de combustibil.

Evident, oamenii de știință și producătorii trebuie să muncească din greu înainte ca celulele de combustibil să devină o alternativă la metodele moderne de producție de energie. Și totuși, cu sprijinul mondial și al cooperării globale, un sistem energetic viabil bazat pe celule de combustibil poate deveni o realitate în câteva decenii.

CELUL DE CARBURANT
  generator electrochimic, dispozitiv care asigură conversia directă a energiei chimice în energie electrică. Deși același lucru se întâmplă și în bateriile electrice, celulele de combustibil au două diferențe importante: 1) funcționează atât timp cât combustibilul și oxidantul provin dintr-o sursă externă; 2) compoziția chimică a electrolitului nu se schimbă în timpul funcționării, adică celula de combustibil nu trebuie reîncărcată.
Vezi și  BATERIE DE PUTERE
Principiul acțiunii.  O celulă de combustibil (Fig. 1) este formată din doi electrozi separați de un electrolit și sisteme de alimentare cu combustibil la un electrod și un agent oxidant la altul, precum și un sistem pentru îndepărtarea produselor de reacție. În cele mai multe cazuri, catalizatorii sunt utilizați pentru a accelera reacția chimică. Un circuit electric extern al bateriei este conectat la o sarcină care consumă energie electrică.

  În ilustrat în fig. Într-o celulă cu combustibil cu un electrolit acid, hidrogenul este furnizat prin anodul gol și intră în electrolit prin pori foarte mici în materialul electrodului. În acest caz, moleculele de hidrogen se descompun în atomi, care, ca urmare a chemisorbției, fiecare care dă un electron, se transformă în ioni încărcați pozitiv. Acest proces poate fi descris prin următoarele ecuații:

Ionii de hidrogen difuzează prin electrolit la partea pozitivă a celulei. Oxigenul furnizat catodului trece în electrolit și, de asemenea, reacționează pe suprafața electrodului cu participarea unui catalizator. Când este combinat cu ioni de hidrogen și electroni care provin dintr-un circuit extern, apa este formată:

În celulele combustibile cu electrolit alcalin (de obicei hidroxizi de sodiu sau potasiu concentrați), apar reacții chimice similare. Hidrogenul trece prin anod și reacționează în prezența unui catalizator cu ioni hidroxil (OH-) în electrolit pentru a forma apă și un electron:

La catod, oxigenul reacționează cu apa conținută în electrolit și electroni din circuitul extern. În etapele ulterioare ale reacțiilor, se formează ioni hidroxil (precum și perhidroxil O2H-). Reacția rezultată la catod poate fi scrisă astfel:

Fluxul de electroni și ioni menține un echilibru de sarcină și materie în electrolit. Apa rezultată din reacție diluează parțial electrolitul. În orice celulă de combustibil, o parte din energia unei reacții chimice este transformată în căldură. Fluxul de electroni în circuitul extern este un curent continuu care este utilizat pentru a efectua lucrări. Majoritatea reacțiilor din celulele de combustibil asigură o emf de aproximativ 1 V. Deschiderea circuitului sau oprirea mișcării ionilor oprește celula de combustibil. Procesul care are loc într-o celulă de combustibil cu hidrogen-oxigen este, în mod inerent, opusul cunoscutului proces de electroliză, în care disocierea apei are loc atunci când un curent electric trece prin electrolit. Într-adevăr, în unele tipuri de celule de combustibil, procesul poate fi inversat - prin aplicarea tensiunii la electrozi, este posibilă descompunerea apei în hidrogen și oxigen, care pot fi colectate pe electrozi. Dacă opriți încărcarea celulei și conectați sarcina la aceasta, o astfel de celulă regenerabilă va începe imediat să funcționeze în modul normal. Teoretic, dimensiunile unei pile de combustibil pot fi arbitrar mari. Cu toate acestea, în practică, mai multe elemente sunt combinate în module mici sau baterii care sunt conectate fie în serie, fie în paralel.
Tipuri de pile de combustibil.  Există diferite tipuri de pile de combustibil. Acestea pot fi clasificate, de exemplu, în funcție de combustibilul utilizat, presiunea de funcționare și temperatura, în funcție de natura aplicației.
Elemente de combustibil cu hidrogen. În această celulă tipică descrisă mai sus, hidrogenul și oxigenul sunt transferate la electrolit prin intermediul electrozilor de carbon sau metal microporosi. Densitatea mare a curentului este obținută în elementele care funcționează la temperaturi ridicate (aproximativ 250 ° C) și la presiune ridicată. Elementele care utilizează combustibil cu hidrogen obținut din prelucrarea combustibililor hidrocarburi, cum ar fi gazul natural sau produsele petroliere, pot găsi cea mai răspândită aplicație comercială. Combinând un număr mare de elemente, puteți crea centrale electrice puternice. În aceste instalații, curentul direct generat de elemente este transformat în curent alternativ cu parametri standard. Un nou tip de elemente capabile să funcționeze pe hidrogen și oxigen la temperatură și presiune normală sunt elemente cu membrane cu schimb de ioni (Fig. 2). În aceste celule, în loc de un electrolit lichid, o membrană polimerică este localizată 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 îndepărtată cu ușurință.

Enciclopedia colierului. - Societate deschisă. 2000 .

Vedeți ce este „ELEMENTUL COMBUSTIBIL” în alte dicționare:

ELEMENTUL DE CARBURANT, ELEMENT ELECTROCHIMIC pentru conversia directă a energiei de oxidare a combustibilului în energie electrică. În consecință, electrozii proiectați sunt cufundați în ELECTROLYT, iar combustibilul (de exemplu, hidrogen) este furnizat la un ... Dicționar enciclopedic științific și tehnic

O celulă galvanică în care reacția redox este susținută de furnizarea continuă de reactivi (combustibil, de exemplu hidrogen și un agent oxidant, de exemplu oxigen) din rezervoarele speciale. Cea mai importantă componentă ... ... Mare dicționar enciclopedic

celula de combustibil  - Elementul primar în care energia electrică este generată datorită reacțiilor electrochimice între substanțele active care intră continuu în electrozi din exterior. [GOST 15596 82] EN celulă cu combustibil care poate schimba energia chimică de la ... ... Referință traducător tehnic

Celulă directă cu metanol O celulă de combustibil este un dispozitiv electrochimic similar cu o celulă galvanică, dar diferită de ea ... Wikipedia

Electronica mobilă în fiecare an, dacă nu chiar o lună, devine din ce în ce mai accesibilă și răspândită. Aici aveți laptopuri și PDA-uri și camere digitale și telefoane mobile și o mulțime de tot felul de dispozitive utile și nu atât de multe. Și toate aceste dispozitive achiziționează constant funcții noi, procesoare mai puternice, ecrane color mari, comunicații fără fir, în același timp scăzând dimensiunile. Dar, spre deosebire de tehnologiile cu semiconductor, tehnologiile energetice din toată această menagerie mobilă nu merg în pasuri.

Bateriile și bateriile reîncărcabile convenționale nu sunt în mod clar suficiente pentru a alimenta ultimele progrese din industria electronică pentru o perioadă substanțială de timp. Și fără baterii fiabile și eficiente, se pierde întregul sens al mobilității și wirelessului. Deci industria computerului lucrează din ce în ce mai activ la problemă surse alternative de alimentare. Iar cea mai promițătoare, astăzi, direcția este celule de combustibil.

Principiul de bază al funcționării cu celule de combustibil a fost descoperit de savantul britanic Sir William Grove în 1839. Este cunoscut ca tatăl pilei de combustibil. William Grove a generat energie electrică schimbându-se pentru a extrage hidrogen și oxigen. După ce a deconectat bateria de la celula electrolitică, Grove a fost surprins să constate că electrozii au început să absoarbă gazul degajat și să genereze curent. Deschiderea procesului combustie electrochimică la rece a hidrogenului  un eveniment în sectorul energetic a devenit semnificativ, iar în viitor astfel de electrochimiști cunoscuți precum Ostwald și Nernst au jucat un rol important în dezvoltarea bazelor teoretice și a implementării practice a pilelor de combustibil și au prezis un viitor mare pentru acestea.

însuși termenul „celulă de combustibil” (celulă de combustibil)  a apărut mai târziu - a fost propusă în 1889 de Ludwig Mond și Charles Langer, care au încercat să creeze un dispozitiv pentru generarea de electricitate din aer și gaze de cărbune.

În timpul combustiei normale, oxigenul oxidează combustibilii fosili, iar energia chimică a combustibilului este transformată ineficient în energie termică. Dar s-a dovedit posibil să se efectueze reacția de oxidare, de exemplu, hidrogenul cu oxigen, într-un mediu electrolit și în prezența electrozilor pentru a obține un curent electric. De exemplu, furnizând hidrogen la un electrod situat într-un mediu alcalin, obținem electroni:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

care, trecând prin circuitul extern, merg la 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 timpul combustiei normale, dar în celula de combustibil, sau altfel - în generator electrochimic, se dovedește curent electric cu eficiență ridicată și parțial căldură. Rețineți că cărbune, monoxid de carbon, alcooli, hidrazină, alte substanțe organice pot fi, de asemenea, utilizate ca combustibil în celulele de combustibil, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizate ca agenți de oxidare.

Dezvoltarea pilelor de combustibil a continuat puternic atât în \u200b\u200bstrăinătate cât și în Rusia, și în continuare în URSS. Dintre oamenii de știință care au adus o contribuție deosebită la studiul pilelor de combustibil, menționăm V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. La mijlocul secolului trecut, a început un nou atac asupra problemelor cu celulele de combustibil. Acest lucru se datorează parțial apariției de noi idei, materiale și tehnologii ca urmare a cercetării în domeniul apărării.

Unul dintre oamenii de știință care a făcut un pas major în dezvoltarea pilelor de combustibil a fost P. M. Spiridonov. Elemente de hidrogen-oxigen din Spiridonov  a dat o densitate curentă de 30 mA / cm2, ceea ce pentru acea perioadă a fost considerat o mare realizare. În anii patruzeci, O. Davtyan a creat o instalație pentru arderea electrochimică a gazului generator obținut prin gazificarea cărbunelui. Cu fiecare metru cub de volum al elementului, Davtyan a primit 5 kW de putere.

Asta a fost prima celulă de combustibil solid electrolit. Avea eficiență ridicată, dar în timp, electrolitul a devenit inutilizabil și a trebuit să fie schimbat. Ulterior, la sfârșitul anilor cincizeci, Davtyan a creat o instalație puternică care a propulsat tractorul. În aceiași ani, inginerul englez T. Bacon a proiectat și a construit o baterie cu baterii cu o capacitate totală de 6 kW și o eficiență de 80%, care funcționează pe hidrogen pur și oxigen, dar raportul dintre puterea și greutatea bateriei era prea mic - astfel de elemente erau improprii pentru utilizare practică și prea dragi.

În anii următori, timpul singuraticilor a trecut. Creatorii de nave spațiale s-au interesat de pilele de combustibil. De la mijlocul anilor 60, s-au investit milioane de dolari în cercetarea cu pile de combustibil. Munca a mii de oameni de știință și ingineri a permis să ajungă la un nou nivel, iar în 1965. celulele de combustibil au fost testate în Statele Unite pe nava spațială Gemini 5, iar mai târziu pe navele Apollo pentru zboruri către Lună și în cadrul programului Shuttle.

În URSS, celulele de combustibil au fost dezvoltate la NPO Kvant, de asemenea pentru utilizare în spațiu. În acei ani, materialele noi au apărut deja - electroliți polimeri solizi pe baza de membrane cu schimb de ioni, noi tipuri de catalizatori, electrozi. Și totuși, densitatea curentului de lucru a fost mică - în intervalul 100-200 mA / cm2, iar conținutul de platină pe electrozi a fost de mai multe g / cm2. Au fost multe probleme asociate cu durabilitatea, stabilitatea și securitatea.

Următoarea etapă de dezvoltare rapidă a pilelor de combustibil a început în anii 90. secolul trecut și continuă acum. Este cauzată de nevoia de noi surse de energie eficiente datorate, pe de o parte, problemei globale de mediu a creșterii emisiilor de gaze cu efect de seră din arderea combustibililor fosili și, pe de altă parte, la epuizarea acestor combustibili. Deoarece apa este produsul final al combustiei de hidrogen într-o celulă de combustibil, acestea sunt considerate cele mai curate din punct de vedere al impactului asupra mediului. Problema principală este doar găsirea unui mod eficient și ieftin de a produce hidrogen.

Investițiile financiare de miliarde în dezvoltarea celulelor de combustibil și a generatoarelor de hidrogen ar trebui să conducă la o descoperire tehnologică și să facă ca utilizarea lor în viața de zi cu zi să devină realitate: în celulele de telefon mobil, în mașini, în centrale. Deja, gigantii de automobile precum Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstrează mașinile și autobuzele care funcționează pe baterii de 50kW. O serie de companii s-au dezvoltat instalații de demonstrare a celulelor cu combustibil solid cu electrolit până la 500 kW. Dar, în ciuda unei progrese semnificative în îmbunătățirea performanței celulelor de combustibil, încă mai trebuie soluționate multe probleme 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 mediator în reacție și în condiții ideale ar putea funcționa aproape pentru totdeauna. Frumusețea acestei tehnologii este că, de fapt, elementul este arderea combustibilului și transformarea directă a energiei eliberate în energie electrică. Cu arderea directă a combustibilului, acesta este oxidat de oxigen, iar căldura generată în acest proces este utilizată pentru a finaliza lucrările utile.

Într-o celulă de combustibil, ca și în baterii, reacțiile de oxidare a combustibilului și reducerea oxigenului sunt separate spațial, iar procesul de „ardere” se continuă numai dacă celula degajă curent sarcinii. Este ca. generator diesel, numai fără motorină și generator. Și, de asemenea, fără fum, zgomot, supraîncălzire și cu o eficiență mult mai mare. Aceasta 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, prin urmare, nu respectă legea Carnot (adică eficiența sa nu este determinată de diferența de temperatură).

Oxigenul este utilizat ca agent oxidant în celulele de combustibil. Mai mult, întrucât oxigenul este suficient de mult în aer, nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la furnizarea unui agent oxidant. În ceea ce privește combustibilul, acesta este hidrogen. Deci, reacția are loc în celula de combustibil:

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

Rezultatul este energia utilă și vaporii de apă. Cel mai simplu în designul său este celulă de combustibil cu membrană de schimb de protoni (vezi figura 1). Acționează astfel: hidrogenul care intră în element se descompune sub acțiunea catalizatorului în electroni și ioni de hidrogen încărcați pozitiv H +. Apoi intră în joc o membrană specială, acționând aici ca un electrolit într-o baterie convențională. Datorită compoziției sale chimice, trece protoni prin el însuși, dar captează electroni. Astfel, electronii acumulați pe anod creează o încărcare excesivă negativă, iar ionii de hidrogen creează o încărcare pozitivă asupra catodului (tensiunea pe element este de aproximativ 1V).

Pentru a crea o putere mare, o celulă de combustibil este asamblată dintr-o multitudine de celule. Dacă includeți un element în sarcină, atunci electronii curg prin el către catod, creând un curent și completând procesul de oxidare a hidrogenului prin oxigen. Ca catalizator în astfel de celule de combustibil, sunt utilizate în mod tipic microparticule de platină depuse pe o fibră de carbon. Datorită structurii sale, un astfel de catalizator trece bine gazul și energia electrică. Membrana este realizată de obicei dintr-un polimer Nafion care conține sulf. Grosimea membranei este egală cu o zecime de milimetru. În timpul reacției, desigur, se eliberează și căldură, dar nu este atât de mult, astfel încât temperatura de operare este menținută în intervalul 40-80 ° C.

Fig. 1. Principiul funcționării pilei de combustibil

Există și alte tipuri de celule de combustibil, diferind în principal în ceea ce privește tipul de electrolit utilizat. Aproape toți necesită hidrogen ca combustibil, astfel încât apare o întrebare logică: unde să-l obținem. Desigur, ar fi posibilă utilizarea hidrogenului comprimat din butelii, dar imediat apar probleme asociate cu transportul și depozitarea acestui gaz extrem de inflamabil sub presiune ridicată. Desigur, puteți utiliza hidrogen în formă legată ca în bateriile de hidrură metalică. Dar totuși, sarcina rămâne din extragerea și transportul acesteia, deoarece infrastructura benzinăriilor de 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. Adevărat, aici este deja necesar un dispozitiv suplimentar special - un convertor de combustibil, care transformă alcoolii într-un amestec de H2 gazos și CO2 la temperatură ridicată (pentru metanol va fi undeva în jurul valorii de 240 ° C). Dar în acest caz este deja mai dificil să te gândești la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bine utilizate ca staționare sau, dar pentru echipamentele mobile compacte ai nevoie de ceva mai puțin greoi.

Și aici ajungem la acel dispozitiv, a cărui dezvoltare aproape toate cei mai mari producători de electronice sunt angajați cu o forță teribilă - celulă de combustibil metanol  (figura 2).

Fig. 2. Principiul funcționării celulei de combustibil pe metanol

Diferența fundamentală între elementele de umplere cu hidrogen și metanol este catalizatorul utilizat. Catalizatorul din celula de combustibil metanol permite eliminarea protonilor direct din molecula de alcool. Astfel, problema combustibilului este rezolvată - alcoolul metilic este produs în masă pentru industria chimică, este ușor de depozitat și transportat, iar pentru a încărca o celulă de combustibil cu metanol, este suficient să înlocuiți cartușul cu combustibil. Este adevărat, există un minus semnificativ - metanolul este toxic. În plus, eficiența unei celule cu combustibil metanol este semnificativ mai mică decât cea a unei hidrogen.

Fig. 3. Celulă de combustibil metanol

Cea mai tentantă opțiune este utilizarea alcoolului etilic ca combustibil, deoarece producția și distribuția de băuturi alcoolice de orice compoziție și putere sunt bine stabilite pe tot globul. Cu toate acestea, din păcate, eficiența pilelor de combustibil cu etanol este chiar mai mică decât cea a metanolului.

După cum sa menționat deja de-a lungul mai multor ani de dezvoltare în domeniul celulelor de combustibil, au fost construite diverse tipuri de celule de combustibil. Pilulele de combustibil sunt clasificate în funcție de electrolit și tipul de combustibil.

1. Electrolit de hidrogen-oxigen polimer solid.

2. Celule de combustibil cu metanol polimer solid.

3. Elemente de electrolit alcalin.

4. Celule combustibile cu acid fosforic.

5. Pilule de combustibil pe carbonați topiți.

6. Celule combustibile cu oxid solid.

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

Sursa principală a pierderilor ohmice, precum și motivul prețului ridicat al pilelor de combustibil, sunt membranele de schimb de ioni sulfocație perfluorurate. Acum căutăm polimeri alternativi, mai ieftini, care conduc protoni. Deoarece conductivitatea acestor membrane (electroliți solizi) atinge o valoare acceptabilă (10 Ohm / cm) doar în prezența apei, gazele furnizate celulei de combustibil trebuie să fie umezite suplimentar într-un dispozitiv special, ceea ce face ca sistemul să fie mai scump. În electrozii de difuzie a gazelor catalitice se folosesc în principal platina și alte metale nobile, și până în prezent nu s-a găsit nicio înlocuire. Deși conținutul de platină din celulele de combustibil este de câteva mg / cm2, pentru bateriile mari cantitatea sa atinge zeci de grame.

La proiectarea pilelor de combustibil, se acordă multă atenție sistemului de îndepărtare a căldurii, deoarece la densități mari de curent (până la 1A / cm2) sistemul se încălzește. Pentru răcire, se folosește apa care circulă în celula de combustibil prin canale speciale, iar la capacități mici, se utilizează suflarea aerului.

Așadar, un sistem modern al unui generator electrochimic, pe lângă acumulatorul în sine al acumulatorului, „crește” cu multe dispozitive auxiliare, cum ar fi: pompe, compresor pentru alimentare cu aer, intrare de hidrogen, umidificator de gaze, unitate de răcire, sistem de control al scurgerilor de gaz, convertor DC / AC, procesor de control etc. Toate acestea conduc la faptul că în 2004-2005 costul sistemului de baterii de combustibil a fost de 2-3 mii de dolari / kW. Potrivit experților, bateriile de combustibil vor deveni disponibile pentru utilizare în transport și în centralele staționare la un preț de 50-100 $ / kW.

Pentru introducerea celulelor de combustibil în viața de zi cu zi, împreună cu componentele mai ieftine, trebuie să vă așteptați la noi idei și abordări originale. În special, speranțele mari sunt asociate cu utilizarea nanomaterialelor și nanotehnologiei. De exemplu, recent, mai multe companii au anunțat crearea de catalizatori super-eficienți, în special, pentru un electrod cu oxigen bazat pe grupuri de nanoparticule din diferite metale. În plus, au existat rapoarte despre proiectarea celulelor de combustibil fără membrană în care combustibilul lichid (de exemplu, metanol) este furnizat celulei de combustibil împreună cu un agent oxidant. Un concept interesant este conceptul dezvoltat de elemente de biocombustibil care operează în apele poluate și consumă oxigen dizolvat ca agent oxidant, și impuritățile organice ca combustibil.

Potrivit experților, bateriile de combustibil vor intra pe piața de masă în următorii ani. Într-adevăr, dezvoltatorii cuceresc problemele tehnice una după alta, raportează succesele și prezintă prototipurile de celule de combustibil. De exemplu, Toshiba a demonstrat o prototip de celule de combustibil terminat cu metanol. Are o dimensiune de 22x56x4.5mm și oferă o putere de ordinul a 100mW. O alimentare cu 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de lucru ale playerului MP3. Toshiba a lansat o baterie comercială pentru a alimenta telefoanele mobile. Din nou, același Toshiba a demonstrat un element pentru alimentarea laptopurilor de 275x75x40mm, permițând computerului să funcționeze 5 ore de la o singură realimentare.

O altă companie japoneză, Fujitsu, nu este departe de Toshiba. În 2004, ea a introdus și un element care acționează pe o soluție apoasă de metanol 30%. Această baterie de combustibil a funcționat la o alimentare cu 300 ml timp de 10 ore și a furnizat, în același timp, o putere de 15 wați.

Casio dezvoltă o celulă de combustibil în care metanolul este prelucrat mai întâi într-un amestec de H2 gazos și CO2 într-un convertor de combustibil în miniatură, și apoi introdus în celula de combustibil. În timpul demonstrației, prototipul Casio a furnizat energie electrică laptopului timp de 20 de ore.

Samsung a fost remarcat și în domeniul celulelor de combustibil - în 2004, a demonstrat prototipul său de 12 W conceput pentru a alimenta un laptop. În general, Samsung se așteaptă să folosească celule de combustibil, în principal în telefoanele inteligente de a patra generație.

Trebuie să spun că, în general, companiile japoneze 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 comun 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 baza contractelor cu armata și dezvoltă celule de combustibil pentru electrificarea soldaților americani.

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

În general, bateriile de combustibil au intrat aproape pe piața electronicelor mobile. Producătorii sunt lăsați să rezolve ultimele probleme tehnice înainte de a începe producția în masă.

În primul rând, este necesar să se rezolve problema miniaturizării pilelor de combustibil. La urma urmei, cu cât celula de combustibil este mai mică, cu atât va fi mai mică puterea de a da - astfel se dezvoltă constant noi catalizatori și electrozi care permit, la dimensiuni mici, să maximizeze suprafața de lucru. Aici, la timp, cele mai noi dezvoltări în domeniul nanotehnologiei și nanomaterialelor (de exemplu, nanotuburi) vin la îndemână. Din nou, pentru a miniaturiza strappingul elementelor (pompe de combustibil și apă, sisteme de răcire și conversii de combustibil), progresele microelectromecanice sunt aplicate din ce în ce mai mult.

A doua problemă importantă care trebuie abordată este prețul. Într-adevăr, ca catalizator în majoritatea pilelor de combustibil, se folosește platina foarte scumpă. Din nou, unii dintre producători încearcă să profite la maxim de tehnologia de siliciu deja bine dezvoltată.

În ceea ce privește alte domenii ale utilizării pilelor de combustibil, celulele combustibile sunt deja bine stabilite acolo, deși nu au devenit încă mainstream în sectorul energetic sau în transport. Deja, mulți producători de mașini și-au prezentat mașinile conceptuale cu combustibil. În mai multe orașe din întreaga lume, autobuzele cu pile de combustie circulă. Canadian Ballard Power Systems produce o gamă de generatoare staționare cuprinse între 1 și 250 kW. În același timp, generatoarele de kilowati sunt proiectate pentru a furniza imediat un apartament cu energie electrică, căldură și apă caldă.

Recent, subiectul pilelor de combustibil este pe buzele tuturor. Și acest lucru nu este surprinzător, odată cu apariția acestei tehnologii în lumea electronică, a căpătat o nouă naștere. Liderii mondiali în domeniul microelectronicii de rasă prezintă prototipuri ale produselor viitoare în care vor fi integrate propriile lor mini-centrale. Acest lucru ar trebui, pe de o parte, să slăbească conexiunea dispozitivelor mobile la „priză”, iar pe de altă parte, să prelungească durata de viață a bateriei.

În plus, unele dintre ele funcționează pe bază de etanol, astfel încât dezvoltarea acestor tehnologii este de un beneficiu direct pentru producătorii de băuturi alcoolice - după o duzină de ani, liniile de la specialiștii IT care stau în spatele următoarei „doze” pentru laptopul lor vor fi aliniate industriei vinicole.

Nu putem sta departe de „febra” pilelor de combustibil care a cuprins industria Hi-Tech și să încercăm să ne dăm seama ce fel de bestie este această tehnologie, ce va mânca atunci când se așteaptă să ajungă în „alimentația publică”. În acest material, vom lua în considerare calea parcursă de pilele de combustibil din momentul în care această tehnologie a fost descoperită până în zilele noastre. De asemenea, încercați să evaluați perspectivele implementării și dezvoltării lor în viitor.

Cum a fost

Pentru prima dată, principiul unui dispozitiv cu celule de combustibil a fost descris în 1838 de Christian Friedrich Schonbein, iar un an mai târziu Jurnalul Filozofic a publicat articolul său pe această temă. Cu toate acestea, acestea au fost doar studii teoretice. Prima celulă de combustibil activ a fost eliberată în 1843 în laboratorul savantului de origine Vali, Sir William Grove. Când a fost creat, inventatorul a folosit materiale similare cu cele utilizate în bateriile moderne cu acid fosforic. Ulterior, celula de combustibil a lui Sir Grove a fost îmbunătățită de W. Thomas Grub. În 1955, acest chimist care a lucrat pentru compania legendară General Electric a folosit o membrană de schimb ionic, fabricată din polistiren sulfonat, ca electrolit într-o celulă de combustibil. Doar trei ani mai târziu, colegul său de muncă Leonard Niedrach a propus o tehnologie pentru așezarea platinei pe o membrană, care a acționat ca un catalizator în procesul de oxidare a hidrogenului și absorbția oxigenului.

„Tatăl” celulelor de combustibil Christian Schönbein

Aceste principii au stat la baza unei noi generații de pile de combustibil, numite elementele Grubb-Nidrah în onoarea creatorilor lor. General Electric a continuat să se dezvolte în această direcție, în care, cu asistența NASA și a gigantului aviației McDonnell Aircraft, a fost creată prima celulă comercială. Noua tehnologie a fost observată peste mări. Și deja în 1959, britanicul Francis Thomas Bacon a introdus o baterie staționară de combustibil de 5 kW. Modelele sale brevetate au fost ulterior licențiate de americani și utilizate în nava spațială a NASA pentru alimentarea cu energie electrică și apă potabilă. În același an, Harry Ihrig, un american, a construit primul tractor cu combustibil (putere totală 15 kW). Hidroxidul de potasiu a fost utilizat ca electrolit în baterii, iar hidrogenul comprimat și oxigenul au fost folosiți ca reactivi.

Pentru prima dată, UTC Power, care oferea sisteme de alimentare de rezervă pentru spitale, universități și centre de afaceri, a pus producția de pile staționare pentru scopuri comerciale în scopuri comerciale. Această companie, lider mondial în acest domeniu, produce în continuare astfel de soluții cu o putere de până la 200 kW. Ea este, de asemenea, principalul furnizor de pile de combustibil pentru NASA. Produsele sale au fost utilizate pe scară largă în timpul programului spațial Apollo și sunt încă la cerere ca parte a programului naveta spațială. UTC Power oferă, de asemenea, celule de combustibil „de consum”, care sunt utilizate pe scară largă în vehicule. Ea a fost prima care a creat o celulă de combustibil care permite generarea curentului la temperaturi scăzute datorită utilizării unei membrane de schimb de protoni.

Cum funcționează

Cercetătorii au experimentat diverse substanțe ca reactivi. Cu toate acestea, principiile de bază ale funcționării pilelor de combustibil, în ciuda caracteristicilor operaționale semnificativ diferite, rămân neschimbate. Orice pile de combustibil este un dispozitiv electrochimic de conversie a energiei. Acesta generează energie electrică dintr-o anumită cantitate de combustibil (din partea anodului) și oxidant (din partea catodului). Reacția are loc în prezența unui electrolit (o substanță care conține ioni liberi și se comportă ca un mediu conductor electric). În principiu, în orice astfel de dispozitiv există anumite reactivi care intră în acesta și produsele reacției lor, care sunt îndepărtate după reacția electrochimică. În acest caz, electrolitul servește doar ca mediu pentru interacțiunea reactivilor și nu se schimbă în celula de combustibil. Pe baza unei astfel de scheme, o celulă ideală de combustibil ar trebui să funcționeze atâta timp cât există o furnizare de substanțe necesare pentru reacție.

Pilulele de combustibil nu trebuie confundate cu bateriile convenționale. În primul caz, un anumit „combustibil” este consumat pentru producerea de energie electrică, care ulterior trebuie alimentată. În cazul celulelor galvanice, energia electrică este stocată într-un sistem chimic închis. În cazul bateriilor, alimentarea curentă face posibilă efectuarea reacției electrochimice inverse și readucerea reactivilor la starea inițială (adică încărcați-o). Sunt posibile diferite combinații de combustibil și agent oxidant. De exemplu, într-o celulă cu combustibil de hidrogen, hidrogenul și oxigenul (un agent oxidant) sunt utilizate ca reactanți. Hidrocarburii și alcoolii sunt adesea folosiți ca combustibil, iar aerul, clorul și dioxidul de clor acționează ca oxidanți.

Reacția de cataliză care are loc într-o celulă de combustie elimină electroni și protoni din combustibil, iar electronii care se mișcă formează un curent electric. În rolul unui catalizator care accelerează reacția, platina sau aliajele sale sunt de obicei utilizate în pilele de combustibil. Un alt proces catalitic returnează electronii, combinându-i cu protoni și un agent oxidant, ceea ce duce la formarea de produse de reacție (emisii). De obicei, aceste emisii sunt substanțe simple: apa și dioxidul de carbon.

Într-o celulă tradițională cu combustibil cu membrană de schimb de protoni (PEMFC), o membrană care conduce un proton polimer separă laturile anodului și catodului. Din partea catodului, hidrogenul difuzează la catalizatorul anodului, unde electronii și protonii sunt eliberați ulterior din acesta. Protonii trec apoi prin membrană către catod, iar electronii, în imposibilitatea de a urmări protonii (membrana este izolată electric), sunt trimiși de-a lungul circuitului de sarcină extern (sistem de alimentare). Pe partea catalizatorului catodului, oxigenul reacționează cu protoni care au trecut prin membrană și cu electroni care intră în circuitul de sarcină extern. Ca urmare a acestei reacții, se obține apă (sub formă de abur sau lichid). De exemplu, produsele de reacție din celulele de combustibil care utilizează combustibili hidrocarburi (metanol, motorină) sunt apa și dioxidul de carbon.

Celulele de combustibil de aproape toate tipurile suferă de pierderi electrice cauzate atât de rezistența naturală a contactelor, cât și de elementele celulei de combustibil și de supratensiunea electrică (energie suplimentară necesară pentru reacția inițială). În unele cazuri, nu este posibilă evitarea completă a acestor pierderi, iar uneori „pielea de oaie nu valorează lumânarea”, însă, cel mai adesea, acestea pot fi reduse la minimum. O opțiune pentru a rezolva această problemă este utilizarea kiturilor de la aceste dispozitive, în care celulele de combustibil, în funcție de cerințele sistemului de alimentare, pot fi conectate în paralel (curent mai mare) sau în serie (tensiune mai mare).

Tipuri de celule de combustibil

Există foarte multe tipuri de pilule de combustibil, cu toate acestea vom încerca să ne bazăm pe cele mai comune dintre ele.

Celule de combustibil alcaline (AFC)

Celulele cu combustibil alcalin sau alcaline, numite și celule de bacon în onoarea „tatălui” lor britanic, sunt una dintre cele mai bine dezvoltate tehnologii cu celule de combustibil. Aceste dispozitive au ajutat omul să pună piciorul pe lună. În general, NASA folosește celule de combustibil de acest tip încă de la mijlocul anilor 60 ai secolului trecut. AFC consumă hidrogen și oxigen pur, producând apă potabilă, căldură și electricitate. În mare parte datorită faptului că această tehnologie este bine dezvoltată, are unul dintre cei mai mari indicatori de performanță dintre sistemele similare (potențial aproximativ 70%).

Cu toate acestea, această tehnologie are dezavantajele sale. Datorită specificului utilizării unei substanțe alcaline lichide ca electrolit care nu blochează dioxidul de carbon, hidroxidul de potasiu (una dintre variantele electrolitului folosit) poate reacționa cu această componentă a aerului obișnuit. Rezultatul poate fi un compus toxic al carbonatului de potasiu. Pentru a evita acest lucru, este necesar să utilizați fie oxigen pur sau purificați aerul de dioxid de carbon. În mod natural, acest lucru afectează costul unor astfel de dispozitive. Cu toate acestea, chiar și așa, AFC-urile sunt cele mai ieftine pile de combustibil din producție disponibile astăzi.

Celule de combustibil direct cu borohidrură (DBFC)

Acest subtip de celule cu combustibil alcalin utilizează borohidrură de sodiu ca combustibil. Cu toate acestea, spre deosebire de AFC-urile convenționale pe bază de hidrogen, această tehnologie are un avantaj semnificativ - absența riscului de a produce compuși toxici după contactul cu dioxidul de carbon. Cu toate acestea, produsul reacției sale este o substanță boraxă, utilizată pe scară largă în detergenți și săpunuri. Boraxul este relativ non-toxic.

DBFC-urile pot fi chiar mai ieftine decât celulele tradiționale, deoarece nu necesită catalizatori costosi de platină. În plus, au o densitate energetică mai mare. Se estimează că producția unui kilogram de borohidrură de sodiu costă 50 de dolari, dar dacă vă organizați producția în masă și aranjați prelucrarea boraxului, atunci această bară poate fi redusă de 50 de ori.

Celule de combustibil cu hidrură metalică (MHFC)

Această subclasă de celule cu combustibil alcalin este studiată activ. O caracteristică a acestor dispozitive este capacitatea de a stoca chimic hidrogenul în interiorul unei pile. Celula de borohidrură directă are aceeași capacitate, dar spre deosebire de aceasta, MHFC este umplut cu hidrogen pur.

Printre caracteristicile distinctive ale acestor pilule de combustibil se numără următoarele:

• capacitatea de reîncărcare din energia electrică;
• lucrați la temperaturi scăzute - până la -20 ° C;
• durată lungă de valabilitate;
• pornire la rece rapid;
• capacitatea de a lucra o perioadă de timp fără o sursă externă de hidrogen (pentru momentul înlocuirii combustibilului).

În ciuda faptului că multe companii lucrează la crearea de MHFC în masă, până în prezent eficacitatea prototipurilor nu este suficient de mare în comparație cu tehnologiile concurente. Unul dintre cele mai bune niveluri de densitate de curent pentru aceste pilule de combustibil este de 250 de milimetri pe centimetru pătrat, în timp ce celulele convenționale PEMFC standard oferă o densitate de curent de 1 ampere pe centimetru pătrat.

Celule cu combustibil electro-galvanic (EGFC)

Reacția chimică în EGFC are loc cu participarea hidroxidului de potasiu și a oxigenului. Aceasta creează un curent electric între anodul de plumb și catodul placat cu aur. Tensiunea generată de celula de combustibil electro-galvanică este direct proporțională cu cantitatea de oxigen. Această caracteristică a permis ca EGFC să fie utilizat pe scară largă ca dispozitiv pentru verificarea concentrației de oxigen în echipamentele de scuba și echipament medical. Dar tocmai din cauza acestei dependențe, celulele combustibile de hidroxid de potasiu au un termen foarte limitat de funcționare eficientă (în timp ce concentrația de oxigen este ridicată).

Primele monitoare certificate de concentrație de oxigen de pe EGFC au devenit disponibile pe scară largă în 2005, dar nu au câștigat multă popularitate. Lansat doi ani mai târziu, un model modificat semnificativ a avut mult mai mult succes și a primit chiar un premiu pentru „inovație” la o expoziție specializată de scafandri din Florida. În prezent, organizații precum NOAA (Administrația Națională Oceanică și Atmosferică) și DDRC (Centrul de Cercetare a Bolilor Diving) le folosesc.

Celule de combustibil cu acid formic direct (DFAFC)

Aceste pilule de combustibil sunt un subtip de dispozitive cu acid formic PEMFC cu alimentare directă. Datorită caracteristicilor lor specifice, aceste pile de combustibil au mari șanse în viitor să devină principalele mijloace de alimentare pentru astfel de electronice portabile, cum ar fi laptopuri, telefoane mobile etc.

La fel ca metanolul, acidul formic este direct introdus în celula de combustibil fără o etapă specială de purificare. De asemenea, este mult mai sigur să păstrați această substanță decât, de exemplu, hidrogen și nu este necesar să furnizați condiții specifice de păstrare: acidul formic este un lichid la temperatura normală. Mai mult, această tehnologie are două avantaje incontestabile față de celulele cu combustibil direct cu metanol. În primul rând, spre deosebire de metanol, acidul formic nu se scurge prin membrană. Prin urmare, eficiența DFAFC prin definiție ar trebui să fie mai mare. În al doilea rând, în caz de depresurizare, acidul formic nu este atât de periculos (metanolul poate provoca orbire și moartea la o doză mare).

Interesant este că, până de curând, mulți oameni de știință nu considerau această tehnologie ca având un viitor practic. Motivul care i-a determinat pe cercetători să „pună cruce” pe acidul formic timp de mai mulți ani a fost o supratensiune electrochimică ridicată, ceea ce a dus la pierderi electrice semnificative. Dar experimentele recente au arătat că motivul acestei ineficiențe a fost utilizarea platinei ca catalizator, care în mod tradițional a fost utilizat pe scară largă în aceste scopuri în celulele de combustibil. După ce oamenii de știință de la Universitatea din Illinois au efectuat o serie de experimente cu alte materiale, s-a dovedit că dacă paladiul a fost utilizat ca catalizator, productivitatea DFAFC a fost mai mare decât cea a pilelor de combustibil direct metanol echivalente. În prezent, drepturile la această tehnologie sunt deținute de compania americană Tekion, care oferă linia sa de produse Formira Power Pack pentru dispozitive microelectronice. Acest sistem este un "duplex" format dintr-o baterie și celula reală. După ce alimentarea reactivului în cartușul de încărcare a bateriei se termină, utilizatorul o schimbă pur și simplu pe una nouă. Astfel, el devine complet independent de „priză”. Conform promisiunilor producătorului, timpul dintre încărcări se va dubla prin faptul că tehnologia va costa doar cu 10-15% mai mult decât bateriile obișnuite. Singurul obstacol serios al acestei tehnologii poate fi acela că este susținut de o companie de dimensiuni medii și poate fi pur și simplu copleșit de concurenți mai mari care reprezintă tehnologiile lor, care pot fi chiar inferioare DFAFC în mai multe moduri.

Celule de combustibil direct cu metanol (DMFC)

Aceste celule de combustibil sunt o subspecie de dispozitive cu membrană de schimb de protoni. Utilizează metanol alimentat cu combustibil în celula de combustibil, fără purificare suplimentară. În același timp, alcoolul metilic este mult mai ușor de depozitat și nu este explozibil (deși este combustibil și poate provoca orbire). În acest caz, metanolul are o capacitate energetică semnificativ mai mare decât hidrogenul comprimat.

Cu toate acestea, datorită faptului că metanolul este capabil să se scurgă prin membrană, eficiența DMFC pentru volumele mari de combustibil este mică. Și deși din acest motiv nu sunt potrivite pentru transport și instalații mari, aceste dispozitive sunt perfect potrivite pentru rolul înlocuirii bateriilor pe dispozitivele mobile.

Celule de combustibil procesate cu metanol (RMFC)

Celulele de combustibil metanol prelucrate diferă de DMFC doar prin faptul că acestea transformă metanolul în hidrogen și dioxid de carbon în timpul generarii anterioare de electricitate. Acest lucru se întâmplă într-un dispozitiv special numit procesor de combustibil. După această etapă preliminară (reacția este efectuată la o temperatură peste 250 ° C), hidrogenul intră în reacția de oxidare, ca urmare a căreia se formează apă și se generează electricitate.

Utilizarea metanolului în RMFC se datorează faptului că este un purtător natural al hidrogenului, iar la o temperatură suficient de scăzută (în comparație cu alte substanțe) poate fi descompus în hidrogen și dioxid de carbon. Prin urmare, această tehnologie este mai avansată decât DMFC. Celulele de combustibil metanol prelucrate permit o mai mare eficiență, compactitate și performanță la temperaturi sub zero.

Celule de combustibil direct cu etanol (DEFC)

Un alt reprezentant al clasei de celule de combustibil cu rețea de schimb de protoni. După cum sugerează și denumirea, etanolul intră în celula de combustibil ocolind etapele ulterioare de purificare sau descompunere în substanțe mai simple. Primul plus al acestor dispozitive este utilizarea alcoolului etilic în locul metanolului toxic. Aceasta înseamnă că nu trebuie să investești mulți bani în stabilirea acestui combustibil.

Densitatea energetică a alcoolului este cu aproximativ 30% mai mare decât cea a metanolului. În plus, poate fi obținut în cantități mari din biomasă. Pentru a reduce costul pilelor de combustibil cu etanol, se caută activ un material catalizator alternativ. Platina, folosită în mod tradițional în pilele de combustibil în aceste scopuri, este prea scumpă și reprezintă un obstacol semnificativ în introducerea în masă a acestor tehnologii. Catalizatorii dintr-un amestec de fier, cupru și nichel pot fi o soluție la această problemă.Ei demonstrează rezultate impresionante în sistemele experimentale.

Celule de combustibil pentru aer cu zinc (ZAFC)

ZAFC folosesc zincul pentru a oxida oxigenul din aer pentru a produce energie electrică. Aceste pile de combustibil sunt ieftine pentru fabricare și asigură o densitate energetică destul de mare. În prezent sunt utilizate în aparate auditive și mașini electrice experimentale.

Pe partea anodului există un amestec de particule de zinc cu un electrolit, iar pe partea catodului există apă și oxigen din aer, care reacționează între ele și formează hidroxil (molecula sa este un atom de oxigen și un atom de hidrogen, între care există o legătură covalentă). Ca urmare a reacției hidroxilului cu amestecul de zinc, sunt eliberați electronii eliberați la catod. Tensiunea maximă pe care o emit aceste pilule de combustibil este de 1,65 V, dar, de regulă, este redusă artificial la 1,4–1,35 V, restricționând accesul aerului la sistem. Produsele finale ale acestei reacții electrochimice sunt oxidul de zinc și apa.

Este posibilă utilizarea acestei tehnologii atât în \u200b\u200bbaterii (fără reîncărcare), cât și în celule de combustibil. În ultimul caz, camera de pe partea anodului este curățată și reumplută cu pastă de zinc. În general, tehnologia ZAFC s-a impus ca baterii simple și fiabile. Avantajul lor incontestabil este capacitatea de a controla reacția doar prin reglarea fluxului de aer în celula de combustibil. Mulți cercetători consideră celulele de combustibil cu zinc-aer ca viitoare principala sursă de energie pentru vehiculele electrice.

Celule cu combustibil microbian (MFC)

Ideea de a utiliza bacteriile în beneficiul omenirii nu este nouă, deși a ajuns recent la realizarea acestor idei. În prezent, este studiată activ problema utilizării comerciale a biotehnologiei pentru producerea de produse diverse (de exemplu, producția de hidrogen din biomasă), neutralizarea substanțelor dăunătoare și producția de energie electrică. Celulele microbiene, numite și biologice, sunt un sistem electrochimic biologic care generează un curent electric prin utilizarea bacteriilor. Această tehnologie se bazează pe catabolism (descompunerea unei molecule complexe într-una mai simplă, cu eliberarea de energie), precum substanțe de glucoză, acetat (sare de acid acetic), butirat (sare de acid butiric) sau ape uzate. Datorită oxidării lor, sunt eliberați electroni care sunt transferați în anod, după care curentul electric generat curge prin conductor către catod.

În astfel de celule de combustibil, de regulă, sunt folosiți mediatori care îmbunătățesc patența electronilor. Problema este că substanțele care joacă rolul de mediatori sunt scumpe și toxice. Cu toate acestea, în cazul utilizării bacteriilor active electrochimic, necesitatea mediatorilor dispare. Astfel de pilule microbiene „fără mediator” au început să fie create recent și, prin urmare, departe de toate proprietățile lor au fost bine studiate.

În ciuda obstacolelor pe care MFC încă nu le-a depășit, această tehnologie are un potențial enorm. În primul rând, nu este dificil să găsești „combustibil”. Și, în plus, astăzi problema tratării apelor uzate și eliminarea multor deșeuri este foarte acută. Utilizarea acestei tehnologii ar putea rezolva ambele probleme. În al doilea rând, teoretic, eficacitatea sa poate fi foarte mare. Principala problemă pentru inginerii pilelor microbiene sunt și, de fapt, cel mai important element al acestui dispozitiv, microbii. Și în timp ce microbiologii, care primesc numeroase subvenții pentru cercetare, se bucură, scriitorii de ficțiune științifică își freacă și mâinile, anticipând succesul cărților cu privire la consecințele „apariției” microorganismelor greșite. În mod natural, există riscul de a scoate la iveală ceva care ar „digera” nu numai deșeurile inutile, ci și ceva valoros. Prin urmare, în principiu, ca în cazul oricărei noi biotehnologii, oamenii se referă la ideea de a transporta cu precauție o cutie plină de bacterii în buzunar.

cerere

Centrale electrice interne și industriale staționare

Celulele de combustibil sunt utilizate pe scară largă ca surse de energie în diferite sisteme autonome, precum nave spațiale, stații meteo la distanță, instalații militare etc. Avantajul principal al unui astfel de sistem de alimentare este fiabilitatea sa extrem de ridicată în comparație cu alte tehnologii. Datorită absenței părților mobile și a oricăror mecanisme din celulele de combustibil, fiabilitatea sistemelor de alimentare cu energie poate ajunge la 99,99%. În plus, în cazul utilizării hidrogenului ca reactiv, este posibil să se obțină o greutate foarte mică, ceea ce în cazul echipamentelor spațiale este unul dintre cele mai importante criterii.

Recent, centralele termice și electrice combinate, utilizate pe scară largă în clădirile rezidențiale și birouri, sunt din ce în ce mai răspândite. Particularitatea acestor sisteme este că acestea generează constant energie electrică, care, dacă nu este consumată imediat, este folosită pentru încălzirea apei și a aerului. În ciuda faptului că eficiența electrică a acestor instalații este de numai 15-20%, acest dezavantaj este compensat de faptul că energia electrică neutilizată este utilizată pentru producția de căldură. În general, eficiența energetică a acestor sisteme combinate este de aproximativ 80%. Unul dintre cei mai buni reactivi pentru astfel de pilule este acidul fosforic. Aceste unități asigură eficiență energetică la nivel de 90% (35-50% energie electrică, iar restul este energie termică).

transport

Sistemele energetice bazate pe celule de combustibil sunt utilizate pe scară largă în transport. Apropo, germanii au fost unul dintre primii care au instalat pile de combustibil pe vehicule. Așadar, prima barcă comercială din lume dotată cu o astfel de instalație a debutat în urmă cu opt ani. Această navă mică, botezată drept „Hydra” și concepută pentru a transporta până la 22 de pasageri, a fost lansată în apropierea fostei capitale a Germaniei în iunie 2000. Hidrogenul (celulă cu combustibil alcalin) acționează ca un reactiv care transportă energie. Datorită utilizării pilelor de combustibil alcaline (alcaline), instalația este capabilă să genereze curenți la temperaturi de până la -10 ° C și nu se teme de apa sărată. Barca "Hydra", condusă de un motor electric cu o capacitate de 5 kW, este capabilă să aibă viteze de până la 6 noduri (aproximativ 12 km / h).

Barca "Hydra"

Celulele de combustibil (în special, hidrogenul) în transportul terestru sunt mult mai răspândite. În general, hidrogenul a fost folosit de mult timp ca combustibil pentru motoarele auto și, în principiu, un motor convențional cu combustie internă poate fi convertit cu ușurință pentru a utiliza acest tip de combustibil alternativ. Cu toate acestea, arderea tradițională a hidrogenului este mai puțin eficientă decât generarea de electricitate prin efectuarea unei reacții chimice între hidrogen și oxigen. Și în mod ideal, hidrogenul, dacă este utilizat în pilele de combustibil, va fi absolut inofensiv pentru natură sau, așa cum se spune, „prietenos cu mediul”, deoarece niciun dioxid de carbon sau alte substanțe nu emite un „efect de seră” în timpul reacției chimice.

Adevărul este că, așa cum s-ar fi așteptat, există mai multe „buturi” mari. Cert este că multe tehnologii de producere a hidrogenului din resurse neregenerabile (gaz natural, cărbune, produse petroliere) nu sunt atât de ecologice, deoarece o mare cantitate de dioxid de carbon este eliberată în procesul lor. Teoretic, dacă se obțin resurse regenerabile pentru obținerea acesteia, nu vor exista deloc emisii nocive. Cu toate acestea, în acest caz, costul crește semnificativ. Potrivit multor experți, din aceste motive, potențialul hidrogenului ca substitut pentru benzină sau gaz natural este foarte limitat. Deja, există alternative mai puțin costisitoare și, cel mai probabil, celulele de combustibil de pe primul element al tabelului periodic nu reușesc încă să devină un fenomen de masă în vehicule.

Producătorii de automobile experimentează activ hidrogenul ca sursă de energie. Și principalul motiv pentru aceasta este poziția destul de dură a UE în ceea ce privește emisiile nocive în atmosferă. Impulsate de restricțiile din ce în ce mai stricte impuse în Europa, Daimler AG, Fiat și Ford Motor Company și-au prezentat viziunea asupra viitorului celulelor de combustibil în construcțiile de automobile, echipându-și modelele de bază cu centrale electrice similare. Volkswagen, un alt gigant auto european, își pregătește în prezent vehiculul cu pile de combustibil. Firmele japoneze și sud-coreene nu sunt departe de ele. Cu toate acestea, departe de toată lumea pune această tehnologie. Multe persoane preferă să modifice motoarele cu ardere internă sau să le combine cu motoare electrice alimentate cu baterii. Toyota, Mazda și BMW au mers așa. În ceea ce privește companiile americane, pe lângă Ford cu modelul Focus, General Motors a introdus mai multe vehicule cu pile de combustibil. Toate aceste întreprinderi sunt încurajate în mod activ de multe state. De exemplu, în Statele Unite există o lege conform căreia o nouă mașină hibridă care intră pe piață este scutită de taxe, ceea ce poate fi o sumă destul de decentă, deoarece de obicei astfel de mașini sunt mai scumpe decât omologii lor cu motoare tradiționale cu ardere internă. Astfel, hibrizii precum cumpărăturile devin și mai atractivi. Adevărat, până în prezent această lege se aplică numai modelelor care intră pe piață până la atingerea nivelului de vânzări de 60.000 de mașini, după care privilegiul este anulat automat.

electronică

Nu cu mult timp în urmă, celulele cu combustibil au început să găsească o utilizare din ce în ce mai răspândită în laptopuri, telefoane mobile și alte dispozitive electronice mobile. Motivul pentru aceasta a fost ridicarea rapidă a dispozitivelor proiectate pentru o durată de viață lungă a bateriei. Ca urmare a utilizării unor ecrane tactile mari în telefoane, instrumente audio puternice și introducerea de asistență pentru Wi-Fi, Bluetooth și alte protocoale de comunicații wireless de înaltă frecvență, cerințele privind capacitatea bateriei s-au schimbat și ele. Și deși bateriile de pe vremea primelor telefoane mobile au avansat cu mult în ceea ce privește capacitatea și compactitatea (altfel, astăzi fanii nu ar fi lăsați în stadioane cu aceste arme cu funcție de comunicare), totuși nu pot ține pasul cu miniaturizarea circuitelor electronice sau cu dorința producătorii integrează tot mai multe funcții în produsele lor. Un alt dezavantaj semnificativ al bateriilor actuale este timpul lor de încărcare lung. Toate acestea conduc la faptul că cu cât sunt mai multe funcții în telefonul sau playerul multimedia de buzunar conceput pentru a crește autonomia proprietarului său (internet wireless, sisteme de navigație etc.), cu atât acest dispozitiv devine mai dependent de „priză”.

Despre laptopuri, mult mai puțin limitate în dimensiuni maxime și nimic de spus. De ceva vreme încoace, s-a format o nișă pentru laptopurile cu performanță care nu erau destinate deloc activității autonome, cu excepția unui astfel de transfer de la un birou la altul. Și chiar și cei mai economici reprezentanți ai lumii notebook-urilor pot asigura cu greu durata de viață a bateriei. Prin urmare, problema găsirii unei alternative la bateriile tradiționale, care nu ar fi mai scumpe, dar și mult mai eficientă, este foarte acută. Iar reprezentanții de frunte ai industriei au rezolvat recent această problemă. Nu cu mult timp în urmă, au fost introduse celule comerciale cu combustibil metanol, livrările în masă putând fi lansate încă din anul viitor.

Cercetătorii au ales metanolul mai degrabă decât hidrogenul, dintr-un anumit motiv. Este mult mai ușor să păstrați metanolul, deoarece nu este necesar să creați presiune înaltă sau să oferiți un regim special de temperatură. Alcoolul metilic este un lichid la temperaturi cuprinse între -97,0 ° C și 64,7 ° C. În acest caz, energia specifică conținută în volumul al nouălea de metanol este un ordin de mărime mai mare decât în \u200b\u200bacelași volum de hidrogen sub presiune ridicată. Tehnologia directă cu celule de combustibil cu metanol, utilizată pe scară largă în dispozitivele electronice mobile, implică utilizarea alcoolului metilic după ce pur și simplu a umplut capacitatea celulei de combustibil ocolind procedura de conversie catalitică (de aici denumirea de „metanol direct”). Acesta este, de asemenea, un avantaj major al acestei tehnologii.

Cu toate acestea, așa cum s-ar fi așteptat, toate aceste plusuri au avut dezavantajele lor, ceea ce a limitat semnificativ domeniul de aplicare al acesteia. Datorită faptului că această tehnologie nu este încă dezvoltată pe deplin, problema eficienței scăzute a unor astfel de celule de combustibil cauzate de „scurgerea” metanolului prin materialul membranar rămâne nesoluționată. În plus, nu au caracteristici dinamice impresionante. Nu este ușor să decizi ce să faci cu dioxidul de carbon produs la anod. Dispozitivele DMFC moderne nu sunt capabile să genereze energie mare, dar au o capacitate energetică ridicată pentru o cantitate mică de substanță. Aceasta înseamnă că, deși nu s-a primit încă multă energie, celulele de combustibil direct cu metanol o pot produce mult timp. Acest lucru nu le permite să găsească aplicații directe în vehicule datorită puterii reduse, dar le face o soluție aproape ideală pentru dispozitivele mobile pentru care durata de viață a bateriei este critică.

Ultimele tendințe

Deși celulele de combustibil pentru vehicule au fost fabricate de mult timp, până în prezent aceste soluții nu au devenit răspândite. Există multe motive pentru aceasta. Iar principalele sunt insuficiența economică și lipsa de disponibilitate a producătorilor de a pune fluxul de combustibil accesibil. Așa cum s-ar putea aștepta, încercările de a forța procesul natural de tranziție către surse de energie regenerabile, nu au dus la nimic bun. Desigur, motivul creșterii drastice a prețurilor produselor agricole este probabil ascuns nu pentru că au început să fie convertiți în biocombustibili în cantități mari, ci pentru că multe țări din Africa și Asia nu sunt capabile să producă suficiente produse nici măcar pentru a satisface cererea internă.

Evident, respingerea consumului de biocombustibili nu va duce la o îmbunătățire semnificativă a situației de pe piața alimentară mondială, ci, dimpotrivă, poate lovi fermierii europeni și americani, care pentru prima dată în mulți ani au reușit să câștige bani buni. Dar este imposibil să scrii în mod urât aspectul etic al acestei probleme pentru a umple „pâinea” din rezervoare, când milioane de oameni își fac foame. Prin urmare, în special, politicienii europeni vor fi acum mai interesanți în ceea ce privește biotehnologia, lucru confirmat deja prin revizuirea strategiei de trecere la surse de energie regenerabilă.

În această situație, microelectronica ar trebui să devină cel mai promițător domeniu de aplicare pentru pilele de combustibil. Este aici că celulele cu combustibil au șansele cele mai mari de a câștiga un punct de sprijin. În primul rând, persoanele care cumpără telefoane mobile sunt mai dispuse să experimenteze decât cumpărătorii de mașini. Și în al doilea rând, sunt pregătiți să cheltuiască bani și, de regulă, nu sunt aversi pentru a „salva lumea”. Acest lucru este confirmat de succesul copleșitor al versiunii roșii „Bono” a iPod Nano, o parte din banii din vânzările cărora s-au dus în conturile Crucii Roșii.

Versiunea Bono a Apple iPod Nano

Printre companiile care și-au îndreptat atenția asupra celulelor portabile cu combustibil se numără firmele care anterior se specializau în dezvoltarea celulelor de combustibil și au deschis pur și simplu un nou domeniu de aplicare, precum și producători de top ai microelectronicii. De exemplu, recent compania MTI Micro, care și-a reproiectat activitatea pentru producerea de celule de combustibil metanol pentru dispozitive electronice mobile, a anunțat că în 2009 va începe producția în masă. De asemenea, a introdus primul dispozitiv GPS din lume bazat pe pilule de combustibil metanol. Potrivit reprezentanților acestei companii, în viitorul apropiat produsele sale vor înlocui complet bateriile tradiționale cu ioni de litiu. Este adevărat, la început nu vor fi ieftine, dar această problemă însoțește orice tehnologie nouă.

Pentru o companie precum Sony, care a demonstrat recent versiunea dispozitivului DMFC care alimentează sistemul multimedia, aceste tehnologii sunt noi, dar intenționează serios să nu se piardă pe o nouă piață promițătoare. La rândul său, Sharp a mers și mai departe și, cu ajutorul celulei sale de combustibil prototip, a stabilit recent un record mondial pentru capacitatea energetică specifică pentru un centimetru cub de alcool metilic la 0,3 wați. Companiile producătoare pentru aceste pile de combustibil au întâlnit chiar guvernele din multe țări. Așadar, aeroporturile din SUA, Canada, Marea Britanie, Japonia și China, în ciuda toxicității și a combustibilității metanolului, au anulat restricțiile existente anterior asupra transportului său în cabină. Desigur, acest lucru este valabil numai pentru pilele de combustibil certificate cu o capacitate de maximum 200 ml. Cu toate acestea, acest lucru confirmă încă o dată interesul pentru aceste evoluții din partea pasionaților nu numai, dar și din partea statelor.

Este adevărat, producătorii încă încearcă să-l joace în siguranță și să ofere celule de combustibil în principal ca sistem de alimentare de rezervă. Una dintre aceste soluții este combinația dintre o celulă de combustibil și o baterie: în timp ce există combustibil, aceasta încarcă constant bateria, iar după ce se scurge, utilizatorul înlocuiește pur și simplu cartușul gol cu \u200b\u200bun nou rezervor de metanol. O altă zonă populară este crearea de încărcătoare pe baterii. Pot fi folosite din mers. Cu toate acestea, ele pot încărca rapid bateriile. Cu alte cuvinte, în viitor, este posibil ca fiecare să poarte un astfel de „soclu” în buzunar. Această abordare poate fi deosebit de relevantă în cazul telefoanelor mobile. La rândul lor, laptopurile pot achiziționa celule de combustibil încorporate în viitorul viitor, care, dacă nu înlocuiesc complet încărcarea de la „priză”, vor deveni cel puțin o alternativă serioasă la aceasta.

Astfel, conform prognozei celei mai mari companii chimice BASF din Germania, care a anunțat recent începerea construcției centrului său de dezvoltare a celulelor de combustibil în Japonia, până în 2010 piața acestor dispozitive va fi de 1 miliard de dolari. În același timp, analiștii ei prevăd creșterea pieței de baterii de combustibil la 20 de miliarde de dolari până în 2020. Apropo, în acest centru BASF intenționează să dezvolte pile de combustibil pentru electronice portabile (în special laptopuri) și sisteme de alimentare staționare. Locul acestei întreprinderi nu a fost ales din întâmplare ¬ principalii cumpărători ai acestor tehnologii, compania germană vede cu exactitate firme locale.

În loc de o concluzie

Desigur, nu trebuie să vă așteptați de la celulele de combustibil că vor înlocui sistemul de alimentare cu energie existent. Oricum în viitorul previzibil. Aceasta este o sabie cu două tăișuri: centralele electrice portabile sunt cu siguranță mai eficiente, din cauza absenței pierderilor asociate cu livrarea de energie electrică consumatorului, dar merită, de asemenea, luat în considerare faptul că acestea pot deveni un concurent serios al sistemului centralizat de furnizare a energiei numai dacă se creează un sistem centralizat de alimentare cu combustibil pentru aceste centrale. Adică „ieșirea” la final ar trebui înlocuită cu o anumită conductă care furnizează reactivii necesari fiecărei case și fiecărui loc. Și acest lucru nu este tocmai faptul că libertatea și independența față de sursele actuale externe, menționate de producătorii de pile de combustibil.

Aceste dispozitive au un avantaj incontestabil sub formă de viteză de încărcare - au schimbat pur și simplu cartușul cu metanol (în cazuri extreme, a deconectat Jack Daniel's capturat) în cameră și sărit din nou pe scările Muzeului Louvre. Pe de altă parte, dacă, să zicem, un telefon obișnuit se încarcă timp de două ore și va necesita reîncărcarea la fiecare 2-3 zile, este puțin probabil ca alternativa schimbării cartușului, vândută doar în magazinele specializate, chiar și o dată la două săptămâni să fie solicitată de către utilizatorul de masă. Și, desigur, în timp ce acestea sunt ascunse în siguranță containerul ermetic, câteva sute de mililitri de combustibil va ajunge la consumatorul final, prețul său va avea timp să crească substanțial.Cu această creștere a prețului va fi posibilă doar combaterea scării de producție, ¬ și această scară va fi la cerere pe piață? Și până la alegerea tipului optim de combustibil, această problemă va fi rezolvată foarte problematic.

Pe de altă parte, combinația de încărcare tradițională de la „priză”, celule de combustibil și alte sisteme alternative de alimentare cu energie (de exemplu, panouri solare) poate fi soluția problemei diversificării surselor de alimentare și trecerea la cele de mediu. Cu toate acestea, într-un anumit grup de produse electronice, celulele de combustibil pot fi utilizate pe scară largă. Acest lucru este confirmat de faptul că Canon a brevetat recent propriile celule de combustibil pentru camerele digitale și a anunțat o strategie pentru introducerea acestor tehnologii în soluțiile sale. În ceea ce privește laptopurile, dacă bateriile de combustibil ajung la ele în viitorul apropiat, cel mai probabil este ca sistem de alimentare de rezervă. Acum, de exemplu, vorbim în principal despre module de încărcare externe, conectate suplimentar la un laptop.

Dar aceste tehnologii au perspective mari de dezvoltare pe termen lung. În special, având în vedere amenințarea înfometării cu petrol care ar putea veni în următoarele câteva decenii. În aceste condiții, este mai important, nici măcar cât de ieftină va fi producția de celule de combustibil, dar cât de mult va fi producția de combustibil pentru acestea independentă de industria petrochimică și dacă poate acoperi necesitatea acesteia.

Nimeni nu va fi surprins nici de panouri solare și nici de vânt, care generează energie electrică 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 primi electricitate într-un moment în care obiectele de energie regenerabilă nu generează energie electrică. Cu toate acestea, există instalații dezvoltate în secolul al XIX-lea care folosesc combustibil „alternativ” pentru a genera energie electrică, adică nu ard gaze sau produse petroliere. Astfel de instalații sunt celule de combustibil.

ISTORIA CREAȚIEI

Celulele de combustibil (FC) sau celulele de combustibil au fost descoperite în 1838-1839 de William Grove (Grove, Grove), când a studiat electroliza apei.

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

După ce a deconectat bateria de la celula electrolitică, a fost surprins să constate că electrozii au început să absoarbă gazul degajat și să genereze curent. Descoperirea procesului de ardere electrochimică „la rece” a hidrogenului a devenit un eveniment semnificativ în sectorul energetic. Ulterior a creat bateria Grove. În acest dispozitiv a existat un electrod de platină imersat în acid azotic și un electrod de zinc în sulfat de zinc. El a generat un curent de 12 amperi și o tensiune de 8 volți. Gro însuși a numit acest design Baterie umedă. A creat apoi o baterie folosind doi electrozi de platină. Un capăt al fiecărui electrod era în acid sulfuric, iar celelalte capete au fost sigilate în containere cu hidrogen și oxigen. Există un curent stabil între electrozi și cantitatea de apă din containere a crescut. Grow a fost capabil să se descompună și să îmbunătățească apa din acest dispozitiv.

Baterie Baterie

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

Termenul „pilă de combustibil” (ing. „Pila de combustibil”) a apărut abia în 1889 de L. Mond și
   C. Langer, încercând să creeze un dispozitiv de generare a energiei electrice din aer și gaze de cărbune.

CUM funcționează?

Celula de combustibil este un dispozitiv relativ simplu. Are doi electrozi: un anod (electrod negativ) și un catod (electrod pozitiv). La electrozi apare o reacție chimică. Pentru a-l accelera, suprafața electrozilor este acoperită cu un catalizator. TE-urile sunt echipate cu un alt element - membrană.Conversia energiei chimice a combustibilului direct în electricitate se datorează muncii membranei. Acesta separă cele două camere ale celulei în care sunt alimentate combustibilul și oxidantul. Membrana permite numai protonilor care rezultă din divizarea combustibilului pe electrodul acoperit cu catalizatorul să treacă dintr-o cameră în alta (electronii în acest caz trec printr-un circuit extern). În a doua cameră, protonii se reunesc cu electronii (și atomii de oxigen) pentru a forma apă.

Principiul funcționării celulei de combustibil cu hidrogen

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

În combustia convențională, oxigenul oxidează combustibilii fosili, iar energia chimică a combustibilului trece în căldură. Să vedem ce se întâmplă în timpul oxidării hidrogenului prin oxigen într-un mediu electrolit și în prezența electrozilor.

Prin alimentarea hidrogenului la un electrod situat într-un mediu alcalin, o reacție chimică are loc:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

După cum vedeți, obținem electroni care, trecând prin circuitul extern, merg către electrodul opus, la care intră oxigenul și unde are loc reacția:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Se vede că reacția rezultată 2H 2 + O 2 → H 2 O este aceeași ca în timpul unei combustii normale, dar un curent electric este generat în celula de combustibil și parțial căldură.

TIPURI DE ELEMENTE DE CARBURANT

Se obișnuiește clasificarea pilelor de combustibil în funcție de tipul de electrolit utilizat în cursul reacției:

Rețineți că cărbune, monoxid de carbon, alcooli, hidrazină, alte substanțe organice pot fi, de asemenea, utilizate ca combustibil în celulele de combustibil, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizate ca agenți de oxidare.

EFICIENȚA ELEMENTELOR DE CARBURANT

O caracteristică a pilelor de combustibil este lipsa unei restricții stricte la eficiențăca motoarele de căldură.

Ajutor: eficiențăciclul Carnot   Eficiența este cea mai ridicată posibilă dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime.

Prin urmare, în teorie, eficiența celulelor de combustibil poate fi mai mare de 100%. Mulți zâmbeau și se gândeau: „Mașina perpetuă a mișcării a inventat înseamnă”. Nu, aici merită să reveniți la cursul de chimie școlară. Celula de combustibil se bazează pe conversia energiei chimice în energie electrică. Aici apar minuni. Anumite reacții chimice în timpul procesului pot absorbi căldura din mediu.

Referință: reacții endotermice - reacții chimice însoțite de absorbția căldurii. Pentru reacțiile endotermice, modificarea entalpiei și a energiei interne au valori pozitive (Δ)H >0, Δ U \u003e 0), astfel, produsele de reacție conțin mai multă energie decât componentele originale.

Un exemplu de astfel de reacție este oxidarea hidrogenului, care este folosită 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 restricție impune 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 echilibru. Cum ar fi: pierderi ohmice datorate conductivității electrolitului și electrozilor, activarea și polarizarea concentrației, pierderi de difuzie. Drept 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, iar eficiența lor este mai mică de 100%. Dar eficiența lor este mai mare decât cea a altor mașini. azi eficiența celulelor de combustibil ajunge la 80%.

Întrebări frecvente:  În anii patruzeci, inginerul englez T. Bacon a proiectat și a construit o baterie cu baterii cu o capacitate totală de 6 kW și o eficiență de 80%, care funcționează pe hidrogen pur și oxigen, dar raportul dintre puterea și greutatea bateriei era prea mic - astfel de elemente erau improprii pentru utilizare practică și prea scumpe (sursa: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMELE ELEMENTELOR DE CARBURANT

Aproape toate celulele de combustibil folosesc hidrogen ca combustibil, astfel încât apare o întrebare logică: „Unde pot să-l obțin?

Se pare că au deschis celula de combustibil ca urmare a electrolizei, deci puteți utiliza hidrogenul eliberat prin electroliză. Dar să analizăm mai detaliat acest proces.

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

Desigur, se poate folosi hidrogenul obținut din gazul natural. 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 gaz natural. 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 o transporta pe distanțe lungi, este necesar să o comprimați. Și aceasta reprezintă costuri suplimentare de energie și bani. De asemenea, nu uita de securitate.

Cu toate acestea, există și o soluție - combustibilul hidrocarbonat lichid poate fi utilizat ca sursă de hidrogen. De exemplu, alcool etilic sau metilic. Adevărat, aici este deja necesar un dispozitiv suplimentar special - un convertor de combustibil, la temperatură ridicată (pentru metanol va fi undeva în jurul valorii de 240 ° C) transformând alcooli într-un amestec de H2 gazos și CO 2. Dar, în acest caz, este deja mai dificil să te gândești la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bine utilizate ca generatoare staționare sau auto, însă pentru echipamentele mobile compacte ai nevoie de ceva mai puțin greoi.

catalizator

Pentru a crește reacția în TE, suprafața anodului este de obicei un catalizator. Până de curând, platina era folosită ca catalizator. Prin urmare, costul bateriei de combustibil a fost ridicat. În al doilea rând, platina este un metal relativ rar. Potrivit experților, în producția industrială a pilelor de combustibil, rezervele dovedite de platină se vor încheia 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. Deci, oamenii de știință chinezi au înlocuit platina cu oxid de calciu (sursa: www.cheburek.net).

UTILIZAREA ELEMENTELOR DE CARBURANT

Pentru prima dată, o baterie de combustibil a fost testată în vehicule auto în 1959. Tractorul Alice-Chambers a folosit 1.008 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 înălțimea „cursei spațiale”, creatorii de nave spațiale s-au interesat de pile de combustibil. Munca a mii de oameni de știință și ingineri a permis să ajungă la un nou nivel, iar în 1965. celulele de combustibil au fost testate în Statele Unite pe nava spațială Gemini 5, iar mai târziu pe navele Apollo pentru zboruri către lună și în cadrul programului Shuttle. În URSS, celulele de combustibil au fost dezvoltate la NPO Kvant, de asemenea pentru utilizare în spațiu (sursa: http://www.powerinfo.ru/).

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

Deja, producătorii de mașini precum Honda, Ford, Nissan și Mercedes-Benz au creat vehicule cu baterii de hidrogen.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force Hidrogen

Când folosiți autoturisme cu hidrogen, problema stocării hidrogenului este rezolvată. Construcția benzinăriilor cu hidrogen va oferi posibilitatea de realimentare oriunde. Mai mult, alimentarea cu hidrogen a unei mașini este mai rapidă decât încărcarea unei mașini electrice la o benzinărie. Dar când au implementat astfel de proiecte, au întâmpinat o problemă ca cea a vehiculelor electrice. Oamenii sunt gata să „transfere” într-o mașină pe bază de hidrogen dacă există infrastructură pentru ei. Iar construcția benzinăriilor va începe dacă există suficienți consumatori. Prin urmare, ouăle și puiul au ajuns din nou la dilemă.

Celulele de combustibil sunt utilizate pe scară largă în telefoanele mobile și laptopurile. Timpul a trecut deja când telefonul a fost încărcat o dată pe săptămână. Acum telefonul se încarcă aproape în fiecare zi, iar un laptop fără rețea funcționează timp de 3-4 ore. Prin urmare, producătorii de echipamente mobile au decis să sintetizeze o baterie cu telefoane și laptopuri pentru încărcare și funcționare. De exemplu, compania Toshiba din 2003. a demonstrat un prototip de celule de combustibil metanol terminat. Oferă o putere de ordinul a 100mW. O alimentare cu 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de lucru ale unui player MP3. Din nou, același „Toshiba” a demonstrat un element pentru alimentarea laptopurilor de 275x75x40mm, permițând computerului să funcționeze 5 ore de la o singură realimentare.

Dar unii producători au mers mai departe. PowerTrekk a lansat un încărcător cu același nume. PowerTrekk este primul încărcător de apă din lume. Folosirea acestuia este foarte ușoară. PowerTrekk trebuie să adauge apă pentru a furniza curent electric instantaneu prin cablul USB. Această celulă de combustibil conține pudră de siliciu și siliciu de sodiu (NaSi) atunci când este amestecată cu apă, această combinație generează hidrogen. Hidrogenul este amestecat cu aerul în celula de combustibil și transformă hidrogenul în energie electrică prin schimbul de membrană-protoni, fără ventilatoare sau pompe. Puteți cumpăra un astfel de încărcător portabil pentru 149 € (