Tehnologia pilelor de combustibil și utilizarea sa în automobile. Celule de combustibil

Sir William Grove știa multe despre electroliză, așa că a emis ipoteza că, printr-un proces (care împarte apa în hidrogenul și oxigenul său constitutiv, trecând electricitatea prin el), ar putea produce dacă se face invers. După ce a calculat pe hârtie, a trecut la stadiul experimental și a reușit să-și demonstreze ideile. Ipoteza dovedită a fost dezvoltată de oamenii de știință Ludwig Mond și asistentul său Charles Langre, au îmbunătățit tehnologia și în 1889 i-au dat un nume, care a inclus două cuvinte - „pilă de combustibil”.

Acum, această frază a intrat ferm în viața de zi cu zi a șoferilor. Cu siguranță ați auzit acest termen de „pilă de combustibil” de mai multe ori. În știrile de pe internet, la televizor, cuvintele nou înțelepte clipesc din ce în ce mai mult. De obicei, acestea se referă la povești despre cele mai noi vehicule hibride sau la programele de dezvoltare pentru aceste vehicule hibride.

De exemplu, în urmă cu 11 ani, în SUA a fost lansat programul „The Hydrogen Fuel Initiative”. Programul a avut ca scop dezvoltarea de celule de combustibil cu hidrogen și tehnologii de infrastructură necesare pentru a face vehiculele cu celule de combustibil practice și viabile din punct de vedere economic până în 2020. Apropo, în acest timp, au fost alocați peste 1 miliard de dolari pentru program, ceea ce indică o miză serioasă pe care au făcut-o autoritățile americane.

De cealaltă parte a oceanului, producătorii de mașini au fost, de asemenea, în alertă, începând sau continuând să-și continue cercetările cu privire la mașinile cu pile de combustie. , și chiar a continuat să lucreze la o tehnologie fiabilă a pilelor de combustibil.

Cel mai mare succes în acest domeniu în rândul tuturor producătorilor auto mondiali a fost obținut de doi producători auto japonezi și. Modelele lor de celule de combustibil au intrat deja în producția de serie, în timp ce concurenții lor urmăresc chiar în spatele lor.

Prin urmare, pilele de combustibil din industria auto sunt de lungă durată. Să luăm în considerare principiile tehnologiei și aplicarea acesteia în mașinile moderne.

Cum funcționează celula de combustibil

De fapt, . Din punct de vedere tehnic, o celulă de combustibil poate fi definită ca un dispozitiv electrochimic pentru conversia energiei. Transformă particulele de hidrogen și oxigen în apă, în acest proces producând simultan curent electric.

Există multe tipuri de pile de combustibil, dintre care unele sunt deja utilizate în mașini, altele sunt supuse testelor de cercetare. Majoritatea utilizează hidrogenul și oxigenul ca elemente chimice principale necesare transformării.

O procedură similară are loc într-o baterie convențională, singura diferență este că are deja toate substanțele chimice necesare pentru conversia „la bord”, în timp ce celula de combustibil poate fi „încărcată” dintr-o sursă externă, datorită căreia procesul de „generarea” electricității poate fi continuată. Pe lângă vaporii de apă și electricitatea, căldura este generată ca un alt produs secundar al procedurii.

O celulă de combustibil hidrogen-oxigen cu membrană schimbătoare de protoni conține o membrană polimerică conducătoare de protoni care separă cei doi electrozi - anodul și catodul. Fiecare electrod este de obicei o placă de carbon (matrice) cu un catalizator susținut - platină sau un aliaj de platinoizi și alte compoziții.

Pe catalizatorul anodic, hidrogenul molecular disociază și pierde electronii. Cationii de hidrogen sunt transportați prin membrană către catod, dar electronii sunt donați circuitului extern, deoarece membrana nu permite trecerea electronilor.

Pe catalizatorul catodic, o moleculă de oxigen se combină cu un electron (care este furnizat din comunicațiile externe) și cu un proton de intrare și formează apă, care este singurul produs de reacție (sub formă de vapori și / sau lichid).

wikipedia.org

Aplicarea în mașini

Dintre toate tipurile de celule de combustibil, se pare că cel mai bun candidat pentru aplicațiile vehiculelor este celulele de combustie cu membrană cu schimb de protoni sau, așa cum se numește în vest, celula de combustibil cu membrană de schimb polimeric (PEMFC). Principalele motive pentru aceasta sunt densitatea sa mare de putere și temperatura de funcționare relativ scăzută, ceea ce înseamnă, la rândul său, că nu durează mult până la punerea în funcțiune a pilelor de combustibil. Se vor încălzi rapid și vor începe să producă cantitatea necesară de electricitate. De asemenea, folosește una dintre cele mai simple reacții ale tuturor tipurilor de pile de combustie.

Primul vehicul cu această tehnologie a fost fabricat în 1994, când Mercedes-Benz a introdus MB100 pe baza NECAR1 (New Electric Car 1). În afară de puterea redusă (doar 50 de kilowați), cel mai mare dezavantaj al acestui concept a fost acela că celula de combustibil a preluat întregul volum al compartimentului de marfă al autoutilitarei.

De asemenea, din punct de vedere al siguranței pasive, a fost o idee teribilă pentru producția de masă, având în vedere necesitatea unui rezervor masiv umplut cu hidrogen inflamabil presurizat la bord.

În următorul deceniu, tehnologia a evoluat și unul dintre cele mai noi concepte de celule de combustibil de la Mercedes a avut o putere de 115 CP. (85 kW) și o autonomie de aproximativ 400 de kilometri înainte de realimentare. Desigur, nemții nu au fost singurii pionieri în dezvoltarea celulelor de combustie ale viitorului. Nu uitați de cele două japoneze, Toyota și. Unul dintre cei mai mari jucători de mașini a fost Honda, care a introdus o mașină de producție cu o centrală cu celule de combustibil cu hidrogen. Vânzările de leasing ale FCX Clarity în Statele Unite au început în vara anului 2008, puțin mai târziu, mașina a fost vândută Japoniei.

Toyota a mers și mai departe cu Mirai, al cărui sistem avansat de celule de combustibil cu hidrogen este aparent capabil să ofere mașinii futuriste o autonomie de 520 km pe un singur rezervor, care poate fi realimentat în mai puțin de cinci minute, la fel ca o mașină normală. Cifrele consumului de combustibil vor uimi orice sceptic, sunt incredibile, chiar și pentru o mașină cu o centrală electrică clasică, consumă 3,5 litri indiferent de condițiile în care este folosită mașina, în oraș, pe autostradă sau în ciclul combinat.

Au trecut opt ​​ani. Honda a folosit foarte bine acest timp. A doua generație a Honda FCX Clarity este acum la vânzare. Stivele sale de celule de combustibil sunt cu 33% mai compacte decât primul model, iar densitatea puterii a crescut cu 60%. Honda spune că celula de combustibil și sistemul de propulsie integrat din Clarity Fuel Cell sunt comparabile ca dimensiune cu un motor V6, lăsând loc pentru cinci pasageri și bagajele acestora.

Distanța estimată este de 500 km, iar prețul inițial al articolelor noi ar trebui să fie fixat la 60.000 USD. Scump? Dimpotrivă, este foarte ieftin. La începutul anului 2000, mașinile cu tehnologie similară costau 100.000 de dolari.

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

ISTORIA CREAȚIEI

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

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

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

„Bateria crește”

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

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

CUM FUNCTIONEAZA?

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

Cum funcționează o celulă de combustibil cu hidrogen

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

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

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

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

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

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

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

TIPURI DE CELULE DE COMBUSTIBIL

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

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

EFICIENȚA CELULEI DE COMBUSTIBIL

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

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

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

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

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

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

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

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

PROBLEME DE CELUTA DE COMBUSTIBIL

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

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

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

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

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

Catalizator

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

UTILIZAREA CELULELOR DE COMBUSTIBIL

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Beneficiile celulelor / celulelor de combustibil

O celulă de combustibil / celulă este un dispozitiv care generează eficient curent continuu și căldură dintr-un combustibil bogat în hidrogen printr-o reacție electrochimică.

O celulă de combustibil este similară cu o baterie prin aceea că generează curent continuu printr-o reacție chimică. Celula de combustibil include un anod, un catod și un electrolit. Cu toate acestea, spre deosebire de baterii, celulele / celulele de combustibil nu pot stoca energie electrică, nu se descarcă și nu necesită energie electrică pentru reîncărcare. Celulele de combustibil / celulele pot genera în mod continuu energie electrică atâta timp cât au o sursă de combustibil și aer.

Spre deosebire de alți generatori de electricitate, cum ar fi motoarele cu combustie sau turbinele care funcționează cu gaz, cărbune, păcură etc., celulele / celulele de combustibil nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Celulele / celulele de combustibil generează electricitate printr-o reacție electrochimică silențioasă. O altă caracteristică a celulelor / celulelor de combustibil este că acestea convertesc energia chimică a combustibilului direct în electricitate, căldură și apă.

Pilele de combustie sunt extrem de eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și oxidul azotic. Singurul produs al emisiilor în timpul funcționării este apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu este deloc emisă dacă hidrogenul pur este folosit ca combustibil. Celulele de combustibil / celulele sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale separate.

Istoria dezvoltării celulei de combustibil / celulei

În anii 1950 și 1960, una dintre cele mai provocatoare sarcini pentru celulele de combustibil a apărut din necesitatea administrației aeronautice și spațiale naționale (NASA) de surse de energie pentru misiunile spațiale pe termen lung. Celula / celula de combustibil alcalină a NASA folosește hidrogen și oxigen ca combustibil, combinându-i pe cei doi într-o reacție electrochimică. Rezultatul este trei subproduse utile ale reacției în zborul spațial - electricitate pentru alimentarea navei spațiale, apă pentru sisteme de băut și răcire și căldură pentru a menține astronauții calzi.

Descoperirea pilelor de combustibil datează de la începutul secolului al XIX-lea. Primele dovezi ale efectului pilelor de combustibil au fost obținute în 1838.

La sfârșitul anilor 1930, au început lucrările la pilele de combustibil cu un electrolit alcalin și până în 1939 a fost construită o celulă folosind electrozi nichelați de înaltă presiune. În timpul celui de-al doilea război mondial, au fost dezvoltate celule de combustibil / celule pentru submarinele Marinei Britanice și în 1958 a fost introdus un ansamblu de combustibil, format din celule / celule de combustibil alcaline cu un diametru de puțin peste 25 cm.

Interesul a crescut în anii 1950 și 1960, precum și în anii 1980, când lumea industrială a suferit o penurie de păcură. În aceeași perioadă, țările lumii au devenit, de asemenea, preocupate de problema poluării aerului și au luat în considerare metode pentru producerea de energie electrică ecologică. În prezent, tehnologia producției de celule de combustibil / celule se confruntă cu o etapă de dezvoltare rapidă.

Cum funcționează celulele de combustibil

Celulele / celulele de combustibil generează electricitate și căldură dintr-o reacție electrochimică care are loc folosind un electrolit, catod și anod.

Anodul și catodul sunt separați de un electrolit care conduce protoni. După ce hidrogenul intră în anod și oxigenul intră în catod, începe o reacție chimică, rezultând generarea de curent electric, căldură și apă.

Pe catalizatorul anodic, hidrogenul molecular disociază și pierde electronii. Ionii de hidrogen (protoni) sunt conduși prin electrolit către catod, în timp ce electronii sunt trecuți prin electrolit și trec printr-un circuit electric extern, creând un curent continuu care poate fi utilizat pentru alimentarea echipamentelor. Pe catalizatorul catodic, o moleculă de oxigen se combină cu un electron (care este furnizat din comunicațiile externe) și cu un proton de intrare și formează apă, care este singurul produs de reacție (sub formă de vapori și / sau lichid).

Următoarea este reacția corespunzătoare:

Reacție la anod: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reacție la catod: O 2 + 4H + + 4e - => 2H 2 O
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Tipuri și varietate de celule de combustibil / celule

Similar cu existența diferitelor tipuri de motoare cu ardere internă, există diferite tipuri de celule de combustibil - alegerea tipului adecvat de celule de combustibil depinde de aplicație.

Celulele de combustibil sunt împărțite în temperatură ridicată și temperatură scăzută. Celulele de combustibil cu temperatură scăzută necesită hidrogen relativ pur ca combustibil. Aceasta înseamnă adesea că procesarea combustibilului este necesară pentru a converti combustibilul primar (cum ar fi gazul natural) în hidrogen pur. Acest proces consumă energie suplimentară și necesită echipamente speciale. Celulele de combustibil la temperatură ridicată nu au nevoie de această procedură suplimentară, deoarece pot „converti” intern combustibilul la temperaturi ridicate, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să investiți în infrastructura de hidrogen.

Celule de combustibil / celule pe carbonatul topit (RKTE)

Celulele de combustibil electrolite carbonat topite sunt celule de combustibil la temperatură ridicată. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea gazului natural direct fără procesor și combustibil gaz cu o putere calorică redusă în combustibilii de proces de producție și din alte surse.

Funcționarea RKTE este diferită de alte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri de carbonat topite. În prezent există două tipuri de amestecuri utilizate: carbonat de litiu și carbonat de potasiu sau carbonat de litiu și carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile de carbonat și a obține un grad ridicat de mobilitate a ionilor în electrolit, celulele de combustibil cu electrolit de carbonat topit funcționează la temperaturi ridicate (650 ° C). Eficiența variază între 60-80%.

Când sunt încălzite la 650 ° C, sărurile devin un conductor pentru ioni carbonat (CO 3 2-). Acești ioni trec de la catod la anod, unde se combină cu hidrogen pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt canalizați înapoi către catod printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

Reacție la anod: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reacție la catod: CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reacția generală a elementului: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) + CO 2 (catod) => H 2 O (g) + CO 2 (anod)

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustibil electrolit carbonat topit au anumite avantaje. La temperaturi ridicate, gazul natural este reformat intern, eliminând necesitatea unui procesor de combustibil. În plus, beneficiile includ capacitatea de a utiliza materiale de construcție standard, cum ar fi tabla de oțel inoxidabil și un catalizator de nichel pe electrozi. Căldura reziduală poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune pentru o varietate de scopuri industriale și comerciale.

Temperaturile de reacție ridicate în electrolit au și ele avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult timp pentru a obține condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor cu celule de combustibil cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constante. Temperaturile ridicate previn deteriorarea monoxidului de carbon asupra celulei de combustibil.

Celulele de combustibil electrolite carbonat topite sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 3,0 MW sunt produse industrial. Se dezvoltă instalații cu o putere de ieșire de până la 110 MW.

Celule de combustibil cu acid fosforic / celule (FCTE)

Celulele de combustie cu acid fosforic (ortofosforic) au fost primele celule de combustibil pentru uz comercial.

Celulele cu combustibil pe bază de acid fosforic (ortofosforic) utilizează un electrolit pe bază de acid fosforic (H 3 PO 4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, motiv pentru care aceste pile de combustie sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 ° C.

Purtătorul de încărcare în acest tip de celulă de combustibil este hidrogen (H +, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu o membrană de schimb de protoni, în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

Reacție la anod: 2H 2 => 4H + + 4e -
Reacție la catod: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 2 H 2 O
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Eficiența pilelor de combustibil pe bază de acid fosforic (ortofosforic) este mai mare de 40% atunci când se generează energie electrică. Cu generarea combinată de căldură și energie, eficiența generală este de aproximativ 85%. În plus, având în vedere temperaturile de funcționare, căldura uzată poate fi utilizată pentru a încălzi apa și a genera abur la presiunea atmosferică.

Performanța ridicată a centralelor termice pe pilele de combustibil pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de căldură și electricitate este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustibil. Plantele folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. În plus, CO 2 nu afectează electrolitul și funcționarea celulei de combustibil; acest tip de celulă funcționează cu combustibil natural reformat. Proiectarea simplă, volatilitatea scăzută a electroliților și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantaje ale acestui tip de celule de combustibil.

Centralele termice și electrice cu o putere electrică de până la 500 kW sunt produse industrial. Unitățile de 11 MW au fost testate în consecință. Se dezvoltă instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

Celule / celule de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Celulele de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate fi variată de la 600 ° C la 1000 ° C, ceea ce permite utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără un pretratare specială. Pentru a face față unor temperaturi atât de ridicate, electrolitul utilizat este un oxid de metal solid subțire, pe bază de ceramică, adesea un aliaj de itriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O 2-).

Electrolitul solid asigură o tranziție închisă ermetic de gaz de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de încărcare din acest tip de celulă de combustibil este un ion de oxigen (O 2-). La catod, moleculele de oxigen din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogen pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacție la anod: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reacție la catod: O 2 + 4e - => 2O 2-
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Eficiența energiei electrice generate este cea mai mare dintre toate celulele de combustibil - aproximativ 60-70%. Temperaturile ridicate de funcționare permit generarea combinată de căldură și energie pentru a genera abur la presiune ridicată. Combinarea unei celule de combustibil la temperatură înaltă cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibrid pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 75%.

Celulele de combustibil cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600 ° C - 1000 ° C), ceea ce durează mult timp pentru a obține condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, un convertor nu este necesar pentru a recupera hidrogenul din combustibil, ceea ce permite centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ necurși rezultați din gazificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale și altele asemenea. De asemenea, această celulă de combustibil este excelentă pentru funcționarea de mare putere, inclusiv pentru centralele industriale și mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

Celule de combustibil / celule cu oxidare directă a metanolului (POMTE)

Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este în curs de dezvoltare activă. S-a stabilit cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptopurilor, precum și în crearea de surse de alimentare portabile. la ce se adresează utilizarea viitoare a acestor elemente.

Proiectarea celulelor cu combustibil cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele cu combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MOPTE), adică un polimer este utilizat ca electrolit, iar un ion hidrogen (proton) este utilizat ca purtător de sarcină. Cu toate acestea, metanolul lichid (CH3OH) se oxidează în prezența apei la anod cu eliberarea de CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacție la anod: CH 3 OH + H 2 O => CO 2 + 6H + + 6e -
Reacție la catod: 3 / 2O 2 + 6 H + + 6e - => 3H 2 O
Reacția generală a elementului: CH 3 OH + 3 / 2O 2 => CO 2 + 2H 2 O

Avantajul acestui tip de celulă de combustibil este dimensiunea sa redusă, datorită utilizării combustibilului lichid și absenței necesității unui convertor.

Celule / celule de combustibil alcaline (SHFC)

Celulele de combustie alcaline sunt unul dintre cele mai eficiente elemente utilizate pentru a genera electricitate, eficiența generării de energie ajungând până la 70%.

Pile de combustie alcaline utilizează un electrolit, adică o soluție apoasă de hidroxid de potasiu conținută într-o matrice poroasă stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustibil, care variază de la 65 ° C la 220 ° C. Purtătorul de încărcare din SHFC este un ion hidroxil (OH -), care se deplasează de la catod la anod, unde reacționează cu hidrogen, producând apă și electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni hidroxil acolo. Această serie de reacții în celula de combustibil produce electricitate și, ca produs secundar, căldură:

Reacție la anod: 2H 2 + 4OH - => 4H 2 O + 4e -
Reacție la catod: O 2 + 2H 2 O + 4e - => 4 OH -
Reacția generală a sistemului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Avantajul SHFC-urilor este că aceste celule de combustibil sunt cele mai ieftine de fabricat, deoarece catalizatorul necesar pentru electrozi poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. SCFC-urile funcționează la o temperatură relativ scăzută și sunt una dintre cele mai eficiente celule de combustibil - astfel de caracteristici pot contribui în consecință la accelerarea generării de energie și la eficiența ridicată a combustibilului.

Una dintre caracteristicile SHFC este sensibilitatea sa ridicată la CO 2, care poate fi conținută în combustibil sau aer. CO 2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustibil. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi spațiul și vehiculele subacvatice, acestea trebuie să funcționeze pe hidrogen pur și oxigen. Mai mult, molecule precum CO, H20 și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustibil și chiar combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare SHFC-urilor.

Celule / celule de combustibil electrolit polimerice (PETE)

În cazul celulelor de combustibil electrolit polimeric, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care conductivitatea ionilor de apă H 2 O + (proton, roșu) este atașată la molecula de apă). Moleculele de apă reprezintă o problemă datorită schimbului lor lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și la electrozii de ieșire, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100 ° C.

Celule / celule de combustibil cu acid solid (TKTE)

În celulele de combustibil cu acid solid, electrolitul (CsHSO 4) nu conține apă. Prin urmare, temperatura de funcționare este de 100-300 ° C. Rotația anionilor oxi SO 4 2- permite protonilor (roșii) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o celulă de combustibil acidă solidă este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi bine comprimați pentru a asigura un contact bun. Când este încălzit, componenta organică se evaporă, lăsând prin porii electrozilor, păstrând capacitatea contactelor multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al celulelor), electrolit și electrozi.

Diverse module de celule de combustibil. Bateria cu pilă de combustibil

1. Bateria cu pilă de combustibil
2. Alte echipamente care funcționează la temperaturi ridicate (generator de abur integrat, cameră de ardere, schimbător de echilibru termic)
3. Izolație rezistentă la căldură

Modulul cu pilă de combustibil

Analiza comparativă a tipurilor și soiurilor de pile de combustie

Centralele termice inovatoare eficiente din punct de vedere energetic sunt construite de obicei pe celule de combustibil cu oxid solid (SOFC), celule de combustibil polimer electrolit (PETF), celule de combustibil cu acid fosforic (PCFC), pile de combustie cu membrană de schimb de protoni (MOPFC) și celule de combustibil alcaline (PSFC) ) ... De obicei, au următoarele caracteristici:

Cele mai potrivite ar trebui să fie recunoscute ca pile de combustie cu oxid solid (SOFC), care:

• lucrați la o temperatură mai ridicată, ceea ce reduce nevoia de metale prețioase scumpe (cum ar fi platina)
• poate funcționa pe diferite tipuri de combustibili cu hidrocarburi, în principal gaze naturale
• au un timp mai mare de pornire și, prin urmare, sunt mai potrivite pentru acțiuni pe termen lung
• demonstrează o eficiență ridicată a generării de energie (până la 70%)
• datorită temperaturilor ridicate de funcționare, unitățile pot fi combinate cu sisteme de recuperare a căldurii, aducând eficiența generală a sistemului până la 85%
• au aproape zero emisii, funcționează în liniște și au cerințe operaționale scăzute în comparație cu tehnologiile existente de generare a energiei

Deoarece instalațiile de cogenerare mici pot fi conectate la o rețea convențională de alimentare cu gaz, celulele de combustibil nu necesită un sistem separat de alimentare cu hidrogen. Atunci când se utilizează unități mici de cogenerare cu celule de combustibil cu oxid solid, căldura generată poate fi integrată în schimbătoare de căldură pentru încălzirea apei și a aerului de ventilație, sporind eficiența generală a sistemului. Această tehnologie inovatoare este cea mai potrivită pentru generarea eficientă de energie electrică, fără a fi nevoie de infrastructură costisitoare și integrare complexă a aparatelor.

Aplicații pentru celule de combustibil / celule

Aplicații de celule de combustibil / celule în sistemele de telecomunicații

Odată cu proliferarea sistemelor de comunicații fără fir din întreaga lume și cu beneficiile socio-economice în creștere ale tehnologiei de telefonie mobilă, necesitatea unei puteri de rezervă fiabile și rentabile a devenit critică. Pierderile din rețea pe tot parcursul anului din cauza vremii nefavorabile, a calamităților naturale sau a capacității limitate a rețelei reprezintă o provocare continuă pentru operatorii de rețea.

Soluțiile tradiționale de rezervă pentru telecomunicații includ baterii (baterie plumb acid reglată prin supapă) pentru back-up pe termen scurt și generatoare diesel și propan pentru back-up mai lung. Bateriile sunt o sursă de alimentare de rezervă relativ ieftină timp de 1 până la 2 ore. Cu toate acestea, bateriile nu sunt potrivite pentru o energie de rezervă mai mare, deoarece sunt scumpe de întreținut, devin nesigure după perioade lungi de utilizare, sunt sensibile la temperatură și sunt periculoase pentru mediu după eliminare. Generatoarele de motorină și propan pot furniza energie continuă de rezervă. Cu toate acestea, generatoarele nu pot fi fiabile, necesită întreținere care necesită mult timp și pot emite niveluri ridicate de poluare și gaze cu efect de seră în atmosferă.

Pentru a aborda limitările soluțiilor tradiționale de alimentare în regim de așteptare, a fost dezvoltată o tehnologie inovatoare cu pile de combustie verzi. Celulele de combustibil sunt fiabile, silențioase, conțin mai puține piese în mișcare decât un generator, au o gamă mai largă de temperatură de funcționare decât o baterie, de la -40 ° C la + 50 ° C și, ca rezultat, oferă niveluri extrem de ridicate de economii de energie. În plus, costul pe viață al unei astfel de centrale este mai mic decât cel al unui generator. Costurile mai mici ale celulelor de combustibil sunt rezultatul unei singure vizite de întreținere pe an și a unei performanțe semnificativ mai mari a instalației. La urma urmei, o celulă de combustibil este o soluție tehnologică ecologică, cu impact minim asupra mediului.

Unitățile cu celule de combustibil furnizează energie de rezervă pentru infrastructurile critice de rețea de comunicații pentru telecomunicații fără fir, permanente și în bandă largă, variind de la 250W la 15kW, oferind multe caracteristici inovatoare de neegalat:

• FIABILITATE- puține piese în mișcare și fără descărcare în modul de așteptare
• ECONOMIE DE ENERGIE
• TĂCERE- nivel de zgomot redus
• DURABILITATE- domeniul de lucru de la -40 ° C la + 50 ° C
• ADAPTABILITATE- instalare exterioară și interioară (container / container de protecție)
• DE MARE PUTERE- până la 15 kW
• NECESITĂȚI SCĂZUTE DE ÎNTREȚINERE- întreținere anuală minimă
• EFICIENŢĂ- costul total de proprietate atractiv
• ENERGIE AMBIENTALĂ- emisii reduse cu impact minim asupra mediului

Sistemul detectează permanent tensiunea magistralei DC și acceptă fără probleme sarcini critice dacă tensiunea magistralei DC scade sub o valoare prestabilită definită de utilizator. Sistemul funcționează pe hidrogen, care intră în teancul de celule de combustibil în unul din cele două moduri - fie dintr-o sursă industrială de hidrogen, fie din combustibili lichizi din metanol și apă, utilizând un sistem integrat de reformare.

Electricitatea este produsă de teancul de pile de combustibil sub formă de curent continuu. Puterea de curent continuu este transmisă unui convertor, care convertește puterea de curent continuu nereglementată din stiva de celule de combustibil într-o putere de curent continuu de înaltă calitate, reglementată pentru sarcinile necesare. Instalația cu pilă de combustibil poate oferi energie de rezervă pentru multe zile, deoarece durata de funcționare este limitată doar de cantitatea de hidrogen sau metanol / apă combustibil din stoc.

Celulele de combustibil oferă economii ridicate de energie, fiabilitate sporită a sistemului, performanțe mai previzibile într-o gamă largă de climă și o durată de viață fiabilă în comparație cu pachetele de baterii cu plumb acid reglementate standard din industrie. Costurile ciclului de viață sunt, de asemenea, mai mici, din cauza cerințelor de întreținere și înlocuire semnificativ mai mici. Celulele de combustibil oferă beneficii pentru mediu utilizatorului final, deoarece costurile de eliminare și riscurile de răspundere asociate cu celulele cu acid de plumb sunt o preocupare din ce în ce mai mare.

Performanța bateriilor electrice poate fi afectată negativ de o gamă largă de factori, cum ar fi nivelul de încărcare, temperatura, ciclurile, durata de viață și alte variabile. Energia furnizată va varia în funcție de acești factori și nu este ușor de prezis. Performanța unei celule de combustie cu membrană de schimb de protoni (PROF) este relativ neafectată de acești factori și poate furniza energie electrică critică atâta timp cât este disponibil combustibil. Previzibilitatea crescută este un beneficiu important atunci când migrați către pilele de combustibil pentru aplicații critice de rezervă de energie.

Celulele de combustibil generează energie numai atunci când este furnizat combustibil, ca un generator de turbină cu gaz, dar nu au părți mobile în zona de generare. Prin urmare, spre deosebire de un generator, acestea nu sunt supuse uzurii rapide și nu necesită întreținere și lubrifiere constantă.

Combustibilul utilizat pentru acționarea convertorului de combustibil cu funcționare extinsă este un amestec metanol / apă combustibil. Metanolul este un combustibil disponibil pe scară largă, disponibil în comerț, care are în prezent multe utilizări, inclusiv șaibe de parbriz, sticle de plastic, aditivi pentru motoare și vopsele de emulsie. Metanolul este ușor de transportat, poate fi miscibil cu apa, are o biodegradabilitate bună și nu conține sulf. Are un punct de îngheț scăzut (-71 ° C) și nu se degradează atunci când este depozitat mult timp.

Aplicarea celulelor de combustibil / celulelor în rețelele de comunicații

Rețelele clandestine necesită soluții fiabile de alimentare de rezervă care pot funcționa ore sau zile în situații de urgență dacă rețeaua electrică nu mai este disponibilă.

Cu puține piese în mișcare și fără reducere în modul de așteptare, tehnologia inovatoare a pilelor de combustibil oferă o soluție atractivă în comparație cu sistemele actuale de alimentare în așteptare.

Cel mai convingător motiv pentru utilizarea tehnologiei pilelor de combustibil în rețelele de comunicații este fiabilitatea și siguranța generală sporită. În timpul unor incidente precum întreruperi de curent, cutremure, furtuni și uragane, este important ca sistemele să continue să funcționeze și să aibă o sursă de alimentare de rezervă fiabilă pentru o perioadă extinsă de timp, indiferent de temperatura sau vârsta sistemului de alimentare de rezervă.

Gama de surse de alimentare cu pilă de combustibil este ideală pentru susținerea rețelelor de comunicații sigure. Datorită principiilor lor de economisire a energiei, acestea asigură o putere de rezervă fiabilă și ecologică, cu o durată de funcționare extinsă (până la câteva zile) pentru utilizare în domeniul de putere de la 250 W la 15 kW.

Aplicarea celulelor / celulelor de combustibil în rețelele de date

Alimentarea fiabilă pentru rețelele de date, cum ar fi rețelele de date de mare viteză și coloanele vertebrale din fibră optică, sunt de o importanță cheie în întreaga lume. Informațiile transmise prin astfel de rețele conțin date critice pentru instituții precum bănci, companii aeriene sau centre medicale. Intreruperea curentului electric în astfel de rețele nu numai că prezintă un pericol pentru informațiile transmise, dar, de regulă, duce la pierderi financiare semnificative. Instalațiile fiabile și inovatoare cu celule de combustibil, cu putere de rezervă, asigură fiabilitatea de care aveți nevoie pentru a asigura o energie neîntreruptă.

Instalațiile cu pilă de combustibil funcționează pe un amestec lichid metanol / combustibil de apă asigură o putere de rezervă fiabilă cu durate de funcționare extinse, până la câteva zile. În plus, aceste unități au redus semnificativ cerințele de întreținere în comparație cu generatoarele și bateriile, necesitând o singură vizită de întreținere pe an.

Caracteristici tipice ale amplasamentului pentru utilizarea instalațiilor de celule de combustibil în rețelele de date:

• Aplicații cu consum de energie de la 100 W la 15 kW
• Aplicații cu durată de viață a bateriei> 4 ore
• Repetatoare în sisteme cu fibră optică (ierarhia sistemelor digitale sincrone, Internet de mare viteză, voce peste IP ...)
• Noduri de rețea de mare viteză
• Noduri de transmisie WiMAX

Instalațiile de așteptare a pilelor de combustibil oferă numeroase avantaje pentru infrastructurile de rețea de date critice față de bateriile tradiționale independente sau generatoarele diesel, permițând o utilizare sporită pe teren:

1. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema stocării hidrogenului și asigură funcționarea practic nelimitată a sursei de alimentare de rezervă.
2. Datorită funcționării lor silențioase, greutății reduse, rezistenței la temperaturi extreme și funcționării practic fără vibrații, celulele de combustibil pot fi instalate în afara clădirii, în încăperi / containere industriale sau pe acoperișuri.
3. Pregătirea la fața locului pentru utilizarea sistemului este rapidă și economică, iar costul de funcționare este redus.
4. Combustibilul este biodegradabil și oferă o soluție ecologică pentru mediul urban.

Utilizarea celulelor / celulelor de combustibil în sistemele de securitate

Cele mai sofisticate sisteme de securitate și comunicații ale clădirilor sunt la fel de fiabile ca și sursa de alimentare care le menține în funcțiune. În timp ce majoritatea sistemelor includ un anumit tip de UPS pentru pierderile de energie pe termen scurt, ele nu creează condițiile pentru întreruperi mai lungi de energie electrică în urma dezastrelor naturale sau a atacurilor teroriste. Aceasta poate fi o problemă critică pentru multe agenții corporative și guvernamentale.

Sistemele vitale, cum ar fi sistemele de monitorizare și control al accesului care utilizează sisteme de supraveghere video (cititoare de cărți de identitate, dispozitive de închidere a ușilor, tehnici de identificare biometrică etc.), sisteme automate de alarmare și stingere a incendiilor, sisteme de control al ascensoarelor și rețele de telecomunicații, sunt expuse riscului în absența unei surse alternative continue de încredere.

Generatoarele diesel produc mult zgomot, sunt greu de amplasat și sunt bine cunoscute pentru fiabilitatea și problemele de întreținere. În schimb, o instalație cu pilă de combustibil care oferă energie de rezervă este silențioasă, fiabilă, are emisii zero sau foarte mici și este ușor de instalat pe acoperiș sau în afara unei clădiri. Nu rămâne fără energie și nu pierde energie în modul de așteptare. Se asigură că sistemele critice continuă să funcționeze, chiar și după închiderea facilității și după ce oamenii părăsesc clădirea.

Instalațiile inovatoare cu celule de combustibil protejează investițiile valoroase în aplicații critice pentru misiune. Acestea oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă, cu durată lungă de viață (până la multe zile) pentru utilizare în gama de putere de la 250 W la 15 kW, combinată cu numeroase caracteristici de neegalat și, în special, cu economii mari de energie.

Centralele electrice de așteptare cu pilă de combustibil oferă numeroase avantaje pentru utilizarea în aplicații critice pentru misiune, cum ar fi sistemele de securitate și managementul clădirilor față de bateriile tradiționale independente sau generatoarele diesel. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema stocării hidrogenului și asigură funcționarea practic nelimitată a sursei de alimentare de rezervă.

Utilizarea celulelor / celulelor de combustibil în încălzirea casnică și generarea de energie electrică

Celulele de combustibil cu oxid solid (SFC) sunt utilizate pentru a construi centrale termice fiabile, eficiente din punct de vedere energetic și fără emisii, pentru a genera electricitate și căldură din surse de gaz natural disponibile și din surse regenerabile de combustibil. Aceste unități inovatoare sunt folosite într-o mare varietate de piețe, de la generarea de energie electrică până la sursa de alimentare la distanță și ca surse de alimentare auxiliare.

Aplicarea celulelor / celulelor de combustibil în rețelele de distribuție

Centrele mici de cogenerare sunt proiectate pentru a funcționa într-o rețea distribuită de generare a energiei, constând dintr-un număr mare de grupuri electrogene mici în loc de o centrală electrică centralizată.

Figura de mai jos prezintă pierderile în eficiența producerii de energie electrică atunci când este generată la centralele de cogenerare și transmise către case prin rețelele tradiționale de transport al energiei utilizate în acest moment. Pierderile de eficiență în generarea centralizată includ pierderile din centrală, transmisia de joasă și înaltă tensiune și pierderile de distribuție.

Figura prezintă rezultatele integrării centralelor termice mici: electricitatea este generată cu o eficiență de generare de până la 60% la punctul de utilizare. În plus, gospodăria poate folosi căldura generată de celulele de combustibil pentru a încălzi apa și spațiul, ceea ce crește eficiența energetică generală a combustibilului și îmbunătățește economiile de energie.

Folosirea pilelor de combustibil pentru protejarea mediului - utilizarea gazelor petroliere asociate

Una dintre cele mai importante sarcini din industria petrolieră este utilizarea gazelor petroliere asociate. Metodele existente de utilizare a gazelor petroliere asociate prezintă o mulțime de dezavantaje, principalul fiind că sunt neprofitabile din punct de vedere economic. Gazele petroliere asociate sunt arse, ceea ce cauzează mari daune mediului și sănătății umane.

Centralele termice inovatoare cu celule de combustibil care folosesc gazul petrolier asociat ca combustibil deschid calea către o soluție radicală și rentabilă la problemele de utilizare a gazului petrolier asociat.

1. Unul dintre principalele avantaje ale centralelor cu pile de combustie este acela că acestea pot funcționa în mod fiabil și stabil cu gaz de petrol asociat variabil. Datorită reacției chimice fără flacără care stă la baza funcționării celulei de combustibil, o scădere a procentului de, de exemplu, metan provoacă doar o scădere corespunzătoare a puterii de ieșire.
2. Flexibilitate în raport cu sarcina electrică a consumatorilor, cădere, supratensiune.
3. Pentru instalarea și conectarea centralelor termice și electrice pe pilele de combustibil, implementarea lor nu necesită cheltuieli de capital, deoarece unitățile sunt ușor de montat pe site-uri nepregătite lângă câmpuri, sunt convenabile în exploatare, fiabile și eficiente.
4. Automatizarea ridicată și telecomanda modernă nu necesită prezența constantă a personalului la instalație.
5. Simplitatea și perfecțiunea tehnică a proiectării: absența pieselor în mișcare, frecare, sisteme de lubrifiere oferă beneficii economice semnificative din funcționarea instalațiilor cu pilă de combustibil.
6. Consumul de apă: nici unul la temperaturi ambientale de până la +30 ° C și neglijabil la temperaturi mai ridicate.
7. Ieșire apă: absentă.
8. În plus, instalațiile de cogenerare a pilelor de combustibil nu fac zgomot, nu vibrează, nu dați emisii nocive în atmosferă

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

Ce este o pilă de combustibil?

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

Istoria pilelor de combustibil

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

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

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

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

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

Cum funcționează celulele de combustibil

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

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

2H 2 → 4H + + 4e -

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

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

4H + + 4e - + O 2 → 2H 2 O

Reacție totalăîntr-o celulă de combustibil este scris astfel:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

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

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

Caracteristicile celulei de combustibil

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

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

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

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

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

Celule de combustibil fără limită de eficiență ca la motoarele termice (eficiența ciclului Carnot este eficiența maximă posibilă între toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime).

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

Eficiența aproape nu depinde de factorul de încărcare,

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

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

Tipuri de celule de combustibil

Celule de combustibil clasificate din următoarele motive:

după combustibilul folosit,

prin presiune de lucru și temperatură,

prin natura cererii.

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

Pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC);

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

Pila de combustibil reversibilă (RFC)

Pilă de combustibil cu metanol direct (DMFC);

Celule de combustibil carbonat topit (MCFC);

Pilele de combustie cu acid fosforic (PAFC);

Pile de combustie alcaline (AFC).

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

Probleme cu pilele de combustibil

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

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

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

Celule de combustibil cu metanol (DMFC): aplicații reale

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

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

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

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

Pilele de combustibil sunt viitorul!

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

Celule de combustibil Este un dispozitiv electrochimic, similar cu o celulă galvanică, dar diferit de acesta prin faptul că substanțele pentru o reacție electrochimică îi sunt furnizate din exterior - spre deosebire de cantitatea limitată de energie stocată într-o celulă galvanică sau o baterie.

Orez. 1. Unele pile de combustie

Celulele de combustibil convertesc energia chimică a combustibilului în electricitate, ocolind procesele de ardere ineficiente, care duc la pierderi mari. Ei transformă hidrogenul și oxigenul în electricitate ca urmare a unei reacții chimice. Ca urmare a acestui proces, se formează apă și se eliberează o cantitate mare de căldură. O celulă de combustibil este foarte asemănătoare cu o baterie, care poate fi încărcată și apoi consumată cu energia electrică stocată. Se crede că inventatorul celulei de combustibil este William R. Grove, care a inventat-o ​​în 1839. În această celulă de combustibil, o soluție de acid sulfuric a fost utilizată ca electrolit, iar hidrogenul a fost utilizat ca combustibil, care a fost combinat cu oxigen într-un mediu oxidant. Până de curând, pilele de combustibil erau utilizate doar în laboratoare și pe nave spațiale.

Orez. 2.

Spre deosebire de alți generatori de energie electrică, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbine care funcționează cu gaz, cărbune, păcură etc., celulele de combustibil nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, nici un zgomot puternic de evacuare, nici vibrații. Celulele de combustibil generează electricitate printr-o reacție electrochimică silențioasă. O altă caracteristică a pilelor de combustibil este că acestea transformă energia chimică a combustibilului direct în electricitate, căldură și apă.

Pilele de combustie sunt extrem de eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și oxidul azotic. Singurele emisii produse de pilele de combustibil sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu este deloc emisă dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Celulele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale separate.

Pilele de combustibil nu au părți în mișcare (cel puțin în interiorul celulei în sine) și, prin urmare, nu respectă legea lui Carnot. Adică vor avea o eficiență de peste 50% și sunt deosebit de eficiente la sarcini reduse. Astfel, vehiculele cu celule de combustibil pot (și s-au dovedit deja) mai economice decât vehiculele convenționale în condiții reale de conducere.

Celula de combustibil generează un curent electric de tensiune constantă care poate fi utilizat pentru a conduce un motor electric, corpuri de iluminat și alte sisteme electrice într-un vehicul.

Există mai multe tipuri de pile de combustie care diferă în procesele chimice utilizate. Celulele cu combustibil sunt de obicei clasificate după tipul de electrolit pe care îl folosesc.

Unele tipuri de pile de combustie sunt promițătoare pentru utilizare ca centrale electrice pentru centrale electrice, în timp ce altele pentru dispozitive portabile sau pentru conducerea mașinilor.

1. Pilele de combustie alcaline (SHFC)

Pila de combustie alcalină- acesta este unul dintre primele elemente dezvoltate. Pilele de combustie alcaline (ALFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii utilizate de NASA în programele Apollo și Space Shuttle de la mijlocul anilor 1960. La bordul acestor nave spațiale, pilele de combustibil produc electricitate și apă potabilă.

Orez. 3.

Celulele de combustie alcaline sunt unul dintre cele mai eficiente elemente utilizate pentru a genera electricitate, eficiența generării de energie ajungând până la 70%.

Pile de combustie alcaline utilizează un electrolit, adică o soluție apoasă de hidroxid de potasiu conținută într-o matrice poroasă stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustibil, care variază de la 65 ° C la 220 ° C. Purtătorul de încărcare din SHFC este un ion hidroxil (OH-), care se deplasează de la catod la anod, unde reacționează cu hidrogen, producând apă și electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni hidroxil acolo. Această serie de reacții în celula de combustibil produce electricitate și, ca produs secundar, căldură:

Reacție la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reacție catodică: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Răspuns general al sistemului: 2H2 + O2 => 2H2O

Avantajul SHFC este că aceste celule de combustibil sunt cele mai ieftine din producție, deoarece catalizatorul necesar pentru electrozi poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. În plus, SCHE funcționează la o temperatură relativ scăzută și sunt printre cele mai eficiente.

Una dintre trăsăturile caracteristice ale SHFC este sensibilitatea sa ridicată la CO2, care poate fi conținută în combustibil sau aer. CO2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustibil. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi spațiul și vehiculele subacvatice, acestea funcționând pe hidrogen pur și oxigen.

2. Pilele de combustibil pe bază de carbonat topit (RKTE)

Celule de combustibil electrolite carbonate topite sunt celule de combustibil la temperatură ridicată. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea gazului natural direct fără procesor și combustibil gaz cu o putere calorică redusă în combustibilii de proces de producție și din alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX. De atunci, tehnologia de producție, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.

Orez. 4.

Funcționarea RKTE este diferită de alte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri de carbonat topite. În prezent există două tipuri de amestecuri utilizate: carbonat de litiu și carbonat de potasiu sau carbonat de litiu și carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile de carbonat și a obține un grad ridicat de mobilitate a ionilor în electrolit, celulele de combustibil cu electrolit de carbonat topit funcționează la temperaturi ridicate (650 ° C). Eficiența variază între 60-80%.

Când sunt încălzite la 650 ° C, sărurile devin un conductor pentru ioni carbonat (CO32-). Acești ioni se deplasează de la catod la anod, unde se combină cu hidrogen pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt canalizați înapoi către catod printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

Reacție anodică: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reacție catodică: CO2 + 1 / 2O2 + 2e- => CO32-

Reacția generală a elementului: H2 (g) + 1 / 2O2 (g) + CO2 (catod) => H2O (g) + CO2 (anod)

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustibil electrolit carbonat topit au anumite avantaje. Avantajul este capacitatea de a utiliza materiale standard (tablă de oțel inoxidabil și catalizator de nichel pe electrozi). Căldura uzată poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune. Temperaturile de reacție ridicate în electrolit au și ele avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult timp pentru a obține condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor cu celule de combustibil cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constante. Temperaturile ridicate previn deteriorarea monoxidului de carbon asupra celulei de combustibil, otrăvirea etc.

Celulele de combustibil electrolite carbonat topite sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse industrial. Se dezvoltă instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

3. Celule de combustibil pe bază de acid fosforic (FCTE)

Pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) a devenit prima celulă de combustibil pentru uz comercial. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor '60 ai secolului al XX-lea, testele au fost efectuate încă din anii '70 ai secolului al XX-lea. Drept urmare, stabilitatea și performanța au crescut și costurile au fost reduse.

Orez. 5.

Celulele cu combustibil pe bază de acid fosforic (ortofosforic) utilizează un electrolit pe bază de acid fosforic (H3PO4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, prin urmare aceste pile de combustie sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 ° C.

Purtătorul de încărcare în acest tip de celulă de combustibil este hidrogen (H +, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu o membrană de schimb de protoni (MOPTE), în care hidrogenul furnizat anodului este separat în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

Reacție la anod: 2H2 => 4H + + 4e

Reacție catodică: O2 (g) + 4H + + 4e- => 2H2O

Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Eficiența pilelor de combustibil pe bază de acid fosforic (ortofosforic) este mai mare de 40% atunci când se generează energie electrică. Cu generarea combinată de căldură și energie, eficiența generală este de aproximativ 85%. În plus, având în vedere temperaturile de funcționare, căldura uzată poate fi utilizată pentru a încălzi apa și a genera abur la presiunea atmosferică.

Performanța ridicată a centralelor termice pe pilele de combustibil pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de căldură și electricitate este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustibil. Plantele folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. Proiectarea simplă, volatilitatea scăzută a electroliților și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantaje ale acestor pile de combustibil.

Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse industrial. Instalațiile cu o putere de 11 MW au fost testate corespunzător. Se dezvoltă instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

4. Celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MOPTE)

Celule de combustibil cu membrană de schimb de protoni sunt considerate cel mai bun tip de celule de combustibil pentru generarea de energie pentru vehicule, care pot înlocui motoarele cu combustie internă pe benzină și diesel. Aceste pile de combustie au fost utilizate pentru prima dată de NASA pentru programul Gemeni. Instalațiile de pe MOPTE au fost dezvoltate și prezentate cu o capacitate de 1 W până la 2 kW.

Orez. 6.

Electrolitul din aceste celule de combustie este o membrană solidă de polimer (film subțire de plastic). Când este impregnat cu apă, acest polimer permite trecerea protonilor, dar nu conduce electroni.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion hidrogen (proton). La anod, o moleculă de hidrogen este împărțită într-un ion hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, în timp ce electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este alimentat către catod și se combină cu electroni și ioni de hidrogen pentru a forma apă. Următoarele reacții au loc pe electrozi: Reacție la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reacție la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reacție globală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de pile de combustie, pile de combustie o membrană schimbătoare de protoni produce mai multă energie pentru un anumit volum sau greutate a unei pile de combustie. Această caracteristică le permite să fie compacte și ușoare. În plus, temperatura de funcționare este mai mică de 100 ° C, ceea ce permite pornirea rapidă a funcționării. Aceste caracteristici, precum și capacitatea de a schimba rapid puterea de energie, sunt doar câteva dintre ceea ce face din aceste pile de combustibil un candidat principal pentru utilizarea vehiculelor.

Un alt avantaj este că electrolitul este solid și nu lichid. Este mai ușor să rețineți gazele la catod și anod cu un electrolit solid, astfel încât aceste celule de combustibil sunt mai ieftine de fabricat. Atunci când se utilizează un electrolit solid, nu există dificultăți precum orientarea și mai puține probleme datorate apariției coroziunii, ceea ce crește durata de viață a celulei și a componentelor sale.

Orez. 7.

5. Celule de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Celule de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate fi variată de la 600 ° C la 1000 ° C, ceea ce permite utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără un pretratare specială. Pentru a face față unor temperaturi atât de ridicate, electrolitul utilizat este un oxid de metal solid subțire pe bază de ceramică, adesea un aliaj de itriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-). Tehnologia utilizării pilelor de combustibil cu oxid solid se dezvoltă de la sfârșitul anilor 1950 și are două configurații: plană și tubulară.

Electrolitul solid asigură o tranziție închisă ermetic de gaz de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de încărcare din acest tip de celulă de combustibil este un ion de oxigen (O2-). La catod, moleculele de oxigen din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogen pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Orez. opt.

Reacție la anod: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reacție catodică: O2 + 4e- => 2O2-

Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Eficiența generării de energie electrică este cea mai mare dintre toate celulele de combustibil - aproximativ 60%. În plus, temperaturile ridicate de funcționare permit generarea combinată de căldură și energie pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustibil la temperatură înaltă cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibrid pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 70%.

Celulele de combustibil cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600 ° C-1000 ° C), ceea ce necesită mult timp pentru a obține condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, un convertor nu este necesar pentru a recupera hidrogenul din combustibil, ceea ce permite centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ necurși rezultați din gazificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale și altele asemenea. De asemenea, această celulă de combustibil este excelentă pentru funcționarea de mare putere, inclusiv pentru centralele industriale și mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

6. Pilele de combustie cu oxidare directă a metanolului (POMTE)

Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului Acestea sunt utilizate cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptopurilor, precum și pentru crearea de surse de alimentare portabile, ceea ce vizează utilizarea viitoare a acestor elemente.

Proiectarea pilelor de combustibil cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustibil cu membrană de schimb de protoni (MOPTE), adică un polimer este utilizat ca electrolit, iar un ion hidrogen (proton) este utilizat ca purtător de sarcină. Dar metanolul lichid (CH3OH) este oxidat în prezența apei la anod cu eliberarea de CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt direcționați de-a lungul unui circuit electric extern și se generează un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacție la anod: CH3OH + H2O => CO2 + 6H + + 6e Reacție la catod: 3 / 2O2 + 6H + + 6e- => 3H2O Reacție generală a elementului: CH3OH + 3 / 2O2 => CO2 + 2H2O dezvoltarea unor astfel de celule de combustibil a fost realizată de la începutul anilor 90- x ai secolului al XX-lea, iar densitatea și eficiența puterii lor au fost crescute la 40%.

Aceste elemente au fost testate într-un interval de temperatură de 50-120 ° C. Datorită temperaturilor scăzute de funcționare și a lipsei necesității unui convertor, astfel de pile de combustibil sunt cel mai bun candidat pentru aplicații în telefoanele mobile și alte bunuri de larg consum, precum și în motoarele auto. Avantajul lor este, de asemenea, de dimensiuni reduse.

7. Celule de combustibil cu electroliți polimerici (PETE)

În cazul celulelor de combustibil cu electroliți polimerici, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care există o conductivitate a ionilor de apă H2O + (proton, roșu) este atașat la molecula de apă. Moleculele de apă reprezintă o problemă datorită schimbului lor lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și la electrozii de ieșire, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100 ° C.

8. Pilele de combustibil cu acid solid (TKTE)

În celulele de combustibil cu acid solid, electrolitul (CsHSO4) nu conține apă. Prin urmare, temperatura de funcționare este de 100-300 ° C. Rotația oxianionilor SO42-permite protonilor (roșii) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o celulă de combustibil acidă solidă este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi bine comprimați pentru a asigura un contact bun. Când este încălzit, componenta organică se evaporă, lăsând prin porii electrozilor, păstrând capacitatea contactelor multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al celulelor), electrolit și electrozi.

Orez. nouă.

9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustibil

Orez. zece.

10. Utilizarea pilelor de combustibil în mașini

Orez. unsprezece.

Orez. 12.