Celule de combustibil. Pile de combustie: o privire în viitor

Statele Unite au adoptat mai multe inițiative pentru a dezvolta pile de combustibil cu hidrogen, infrastructură și tehnologii 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 combustie generează electricitate în mod liniștit și eficient, fără a polua mediul. Spre deosebire de sursele de energie care folosesc combustibili fosili, produsele secundare ale celulelor de combustibil sunt căldura și apa. Cum functioneaza?

În acest articol, vom trece în revistă pe scurt fiecare dintre tehnologiile de combustibil existente astăzi, vom vorbi despre proiectarea și funcționarea pilelor de combustibil și le vom compara cu alte forme de producere a energiei. Vom discuta, de asemenea, unele dintre obstacolele cu care se confruntă cercetătorii pentru a face pilele de combustibil practice și accesibile pentru consumatori.

Pilele de combustibil sunt dispozitive de conversie a energiei electrochimice... O celulă de combustibil transformă substanțele chimice, hidrogenul și oxigenul în apă, în acest proces generând energie electrică.

Un alt dispozitiv electrochimic cu care suntem familiarizați cu toții este bateria. Bateria are în interior toate elementele chimice necesare și transformă aceste substanțe în energie electrică. Aceasta înseamnă că în cele din urmă bateria „se stinge” și fie o aruncați, fie o reîncărcați.

Într-o celulă de combustibil, substanțele chimice curg în mod constant în ea, astfel încât să nu „moară”. Electricitatea va fi generată atâta timp cât există un flux de substanțe chimice în element. Majoritatea celulelor de combustie utilizate astăzi folosesc hidrogen și oxigen.

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

Invenția pilelor de combustibil

Sir William Grove a inventat prima celulă de combustibil în 1839. Grove știa că apa poate fi separată în hidrogen și oxigen prin trecerea unui curent electric prin ea (un proces numit electroliză). El a sugerat că în ordine inversă s-ar putea obține energie electrică și apă. El a creat o celulă de combustibil primitivă și a numit-o baterie galvanică pe 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 termenul celule de combustibil când se încearcă construirea unui model practic de producere a energiei electrice.

Pila de combustibil va concura cu multe alte dispozitive de conversie a energiei, inclusiv turbinele cu gaz din centralele urbane, motoarele cu ardere internă în mașini și tot felul de baterii. Motoarele cu ardere internă, cum ar fi turbinele cu gaz, ard o varietate de combustibili și folosesc presiunea creată de expansiunea gazelor pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile transformă energia chimică în energie electrică atunci când este necesar. Pilele de combustie trebuie să îndeplinească aceste sarcini mai eficient.

Celula de combustie furnizează tensiune DC (curent continuu) care poate fi folosită pentru a alimenta motoare electrice, iluminat și alte aparate electrice.

Există mai multe tipuri diferite de celule de combustie, fiecare dintre ele utilizând un proces chimic diferit. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de acestea Temperatura de Operareși tipelectrolit, pe care le folosesc. Unele tipuri de celule de combustie sunt potrivite pentru utilizarea în centralele electrice staționare. Altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru alimentarea mașinilor. Principalele tipuri de celule de combustibil includ:

Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)

PEMFC este considerat cel mai probabil candidat pentru aplicații de transport. PEMFC are atât putere mare, cât și temperatură de funcționare relativ scăzută (între 60 și 80 de grade Celsius). O temperatură scăzută de funcționare înseamnă că celulele de combustibil se pot încălzi rapid pentru a începe să genereze electricitate.

Celulă de combustie cu oxid solid (SOFC)

Aceste pile de combustibil sunt cele mai potrivite pentru generatoarele de energie staționare mari care ar putea alimenta o fabrică sau un oraș. Acest tip de pile de combustie funcționează la temperaturi foarte ridicate (700 până la 1000 de grade Celsius). Temperatura ridicată este o problemă de fiabilitate, deoarece unele dintre celulele de combustibil se pot defecta după mai multe cicluri de pornire și oprire. Cu toate acestea, celulele de combustibil cu oxid solid sunt foarte stabile în funcționare continuă. Într-adevăr, SOFC-urile au demonstrat cea mai lungă durată de viață a oricărei celule de combustibil în anumite condiții. Temperatura ridicată are și un avantaj: aburul generat de celulele de combustie poate fi direcționat către turbine și poate genera mai multă energie electrică. Acest proces se numește cogenerare de căldură și electricitateși îmbunătățește eficiența generală a sistemului.

Pilă de combustibil alcalină (AFC)

Este unul dintre cele mai vechi modele de celule de combustie utilizate din anii 1960. 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 pile de combustie să fie puse în producție de masă.

Celulă de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

La fel ca SOFC, aceste celule de combustibil sunt, de asemenea, cele mai potrivite pentru centralele electrice staționare mari și generatoare. Acestea funcționează la 600 de grade Celsius, astfel încât pot genera abur, care la rândul său poate fi folosit pentru a genera și mai multă putere. Au o temperatură de funcționare mai scăzută decât pilele de combustie cu oxid solid, ceea ce înseamnă că nu au nevoie de astfel de materiale rezistente la căldură. Acest lucru le face puțin mai ieftine.

Pilă de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pilă de combustibil cu acid fosforic are potențialul de a fi utilizat în sistemele electrice staționare mici. Funcționează la o temperatură mai mare decât o celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri, deci este nevoie de mai mult timp pentru a se încălzi, ceea ce o face nepotrivită pentru utilizare în automobile.

Celulă de combustie cu metanol direct (DMFC)

Pilele de combustibil cu metanol sunt comparabile cu PEMFC din punct de vedere al temperaturii de funcționare, dar nu la fel de eficiente. În plus, DMFC necesită destul de multă platină pentru a acționa ca catalizator, ceea ce face ca aceste celule de combustibil să fie scumpe.

Celulă de combustie cu membrană schimbătoare de polimeri

Celula de combustie cu schimb de membrană polimerică (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru celulele de combustibil. PEMFC folosește una dintre cele mai simple reacții ale oricărei celule de combustie. Luați în considerare în ce constă.

1. A nodul - borna negativă a celulei de combustibil. Conduce electronii, care sunt eliberați din moleculele de hidrogen, după care pot fi utilizați în circuitul extern. Are canale gravate prin care hidrogenul gazos este distribuit uniform pe suprafața catalizatorului.

2.LA atode - terminalul pozitiv al celulei de combustie are si canale pentru distributia oxigenului pe suprafata catalizatorului. De asemenea, conduce electronii înapoi din lanțul exterior de catalizator, unde se pot combina cu ionii de hidrogen și oxigen pentru a forma apă.

3.Membrană schimbătoare electrolit-protoni... Este un material special prelucrat care conduce doar ionii încărcați pozitiv și blochează electronii. Cu PEMFC, membrana trebuie să fie umedă pentru a funcționa corect și a rămâne stabilă.

4. Catalizator Este un material special care favorizează reacția oxigenului și hidrogenului. De obicei, este fabricat din nanoparticule de platină aplicate foarte subțire pe hârtie sau țesătură 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) presurizat în celula de combustie din partea anodului. Când o moleculă de H2 intră în contact cu platina de pe catalizator, aceasta se împarte în doi ioni H + și doi electroni. Electronii trec prin anod, unde sunt utilizați într-un circuit extern (făcând lucrări utile, cum ar fi rotirea unui motor) și înapoi în partea catodică a celulei de combustibil.

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

Această reacție într-o singură pilă de combustibil produce doar aproximativ 0,7 volți. Pentru a ridica tensiunea la un nivel rezonabil, multe celule de combustibil individuale trebuie combinate pentru a forma o stivă de celule de combustibil. Plăcile bipolare sunt folosite pentru a conecta o celulă de combustibil la alta și sunt supuse oxidării de-potențial. O mare problemă cu plăcile bipolare este stabilitatea lor. Plăcile bipolare metalice pot fi corodate, iar produsele secundare (ioni de fier și crom) reduc eficiența membranelor și electrozilor celulei de combustie. Prin urmare, pilele de combustie la temperaturi joase folosesc metale ușoare, grafit și compuși compoziți din carbon și material termorigid (materialul termorigid este un fel de plastic care rămâne solid chiar și atunci când este expus la temperaturi ridicate) sub forma unui material folie bipolar.

Eficiența celulei de combustibil

Reducerea poluării este unul dintre obiectivele principale ale unei celule 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 îmbunătăți eficiența mașinilor.

Deoarece toate cele trei tipuri de mașini au multe din aceleași componente, vom ignora această parte a mașinii și vom compara eficiența până la punctul în care se produce energie mecanică. Să începem cu un vehicul cu celule de combustibil.

Dacă o pilă de combustie este alimentată cu hidrogen pur, eficiența acesteia poate fi de până la 80%. Astfel, transformă 80% din conținutul energetic al hidrogenului în energie electrică. Totuși, mai trebuie să transformăm electricitatea în lucru mecanic. Acest lucru se realizează printr-un motor electric și un invertor. Eficiența motorului + invertorului este, de asemenea, de aproximativ 80 la sută. Aceasta oferă o eficiență totală de aproximativ 80 * 80/100 = 64 la sută. Se pare că conceptul vehiculului Honda FCX are o eficiență energetică de 60%.

Dacă sursa de combustibil nu este hidrogen pur, atunci vehiculul va avea nevoie și de un reformator. Reformatorii transformă combustibilii cu hidrocarburi sau alcool în hidrogen. Ele generează căldură și produc CO și CO2 pe lângă hidrogen. Ei folosesc diverse dispozitive pentru a purifica hidrogenul produs, dar această purificare este insuficientă și scade eficiența celulei de combustie. Prin urmare, cercetătorii au decis să se concentreze pe celulele de combustie pentru vehiculele alimentate cu hidrogen pur, în ciuda problemelor asociate cu producerea și stocarea hidrogenului.

Eficiența unui motor pe benzină și a unei mașini pe baterii electrice

Eficiența unei mașini pe benzină este surprinzător de scăzută. Toată căldura care iese în evacuare sau este absorbită de radiator este energie risipită. Motorul folosește, de asemenea, multă energie pentru a porni diferitele pompe, ventilatoare și generatoare care îl mențin în funcțiune. Astfel, eficiența globală a unui motor pe benzină de automobile este de aproximativ 20 la sută. Astfel, doar aproximativ 20% din conținutul de energie termică al benzinei este transformat în lucru mecanic.

Un vehicul electric alimentat de baterii are o eficiență destul de ridicată. Bateria are o eficiență de aproximativ 90 la sută (majoritatea bateriilor generează ceva căldură sau necesită încălzire), iar motorul + invertorul are o eficiență de aproximativ 80 la sută. Acest lucru oferă o eficiență generală de aproximativ 72 la sută.

Dar asta nu este tot. Pentru ca o mașină electrică să se deplaseze, electricitatea trebuie mai întâi generată undeva. Dacă era o centrală electrică care folosea arderea combustibililor fosili (mai degrabă decât energie nucleară, hidroelectrică, solară sau eoliană), atunci doar aproximativ 40% din combustibilul centralei a fost transformat în energie electrică. În plus, încărcarea unei mașini necesită conversia puterii AC în curent continuu. Acest proces are o eficiență de aproximativ 90 la sută.

Acum, dacă ne uităm la întregul ciclu, eficiența unui vehicul electric este de 72% pentru mașina în sine, 40% pentru o centrală și 90% pentru încărcarea mașinii. Acest lucru oferă o eficiență generală de 26 la sută. Eficiența generală variază foarte mult în funcție de centrala electrică utilizată pentru a încărca bateria. Dacă energia electrică pentru mașină este generată, de exemplu, de o centrală hidroelectrică, atunci randamentul mașinii electrice va fi de aproximativ 65 la sută.

Oamenii de știință cercetează și îmbunătățesc design-urile pentru a continua să îmbunătățească eficiența celulei de combustie. O nouă abordare este integrarea vehiculelor cu celule de combustibil și alimentate cu baterii. Este în curs de dezvoltare un vehicul concept alimentat de un motor hibrid alimentat cu celule de combustibil. Acesta folosește o baterie cu litiu pentru a alimenta vehiculul în timp ce pila de combustibil reîncarcă bateria.

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

De ce să folosiți pile de combustibil?

Motivul principal este tot ce are legătură cu uleiul. America trebuie să importe aproape 60% din petrolul său. Până în 2025, se preconizează că importurile vor crește la 68%. Americanii folosesc două treimi din uleiul lor în fiecare zi pentru transport. Chiar dacă fiecare mașină de pe stradă ar fi o mașină hibridă, până în 2025 SUA ar trebui să folosească în continuare aceeași cantitate de ulei pe care americanii au consumat-o în 2000. Într-adevăr, America consumă un sfert din petrolul mondial, deși aici trăiește doar 4,6% din populația lumii.

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 zăcăminte de petrol într-un mediu din ce în ce mai dificil, care va conduce la creșterea prețurilor petrolului.

Temerile se extind cu mult dincolo de securitatea economică. O mulțime de fonduri primite din vânzarea petrolului sunt cheltuite pentru menținerea terorismului internațional, a partidelor politice radicale și a unei situații instabile în regiunile producătoare de petrol.

Utilizarea petrolului și a altor combustibili fosili pentru energie produce poluare. Este cel mai potrivit pentru toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.

Pilele de combustie sunt o alternativă atractivă la dependența de petrol. În loc de poluare, celulele de combustibil produc apă curată ca produs secundar. În timp ce inginerii s-au concentrat temporar pe producerea hidrogenului din diverse surse fosile, cum ar fi benzina sau gazul natural, în viitor sunt explorate modalități regenerabile și ecologice de producere a hidrogenului. Cel mai promițător, în mod natural, va fi procesul de producere a hidrogenului din apă.

Dependența de petrol și încălzirea globală sunt o problemă internațională. Mai multe țări sunt implicate în comun în dezvoltarea cercetării și dezvoltării pentru tehnologia celulelor de combustie.

Evident, oamenii de știință și producătorii trebuie să muncească din greu înainte ca celulele de combustie să devină o alternativă la metodele moderne de producere a energiei. Cu toate acestea, cu sprijin la nivel mondial și cooperare globală, un sistem energetic viabil cu celule de combustibil ar putea deveni o realitate în doar câteva decenii.

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

Pilele de combustie sunt împărțite în temperatură ridicată și temperatură scăzută. Pile de combustibil cu temperatură joasă necesită hidrogen relativ pur drept combustibil. Aceasta înseamnă adesea că procesarea combustibilului este necesară pentru a transforma combustibilul primar (cum ar fi gazul natural) în hidrogen pur. Acest proces consumă energie suplimentară și necesită echipamente speciale. Pile de combustie la temperaturi ridicate nu au nevoie de această procedură suplimentară, deoarece pot efectua o „conversie internă” a combustibilului la temperaturi ridicate, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să investești într-o infrastructură cu hidrogen.

Pile de combustie pe bază de carbonat topit (RKTE)

Pilele de combustie cu electroliți de carbonat topit sunt pile de combustie la temperaturi înalte. Temperatura ridicată de funcționare permite ca gazul natural să fie utilizat direct fără un combustibil de procesor și gaz combustibil cu putere calorică scăzută pentru procese industriale și alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 1960. De atunci, tehnologia de producție, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.

Funcționarea RKTE este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. În prezent, există două tipuri de amestecuri în uz: 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 ionică în electrolit, pilele de combustie 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 ionii de carbonat (CO 3 2-). Acești ioni trec de la catod la anod, unde se combină cu hidrogenul 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.

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

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustie cu electroliți cu 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 standard de construcție, 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 ridicate de reacție în electrolit au, de asemenea, avantaje. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult timp pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea cu monoxid de carbon a celulei de combustie, „otrăvirea” etc.

Pilele de combustie cu electroliți cu carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse industrial. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

Pile de combustibil cu acid fosforic (FCTE)

Pilele de combustie cu acid fosforic (ortofosforic) au fost primele celule de combustibil pentru uz comercial. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 1960 și a fost testat încă din anii 1970. De atunci, stabilitatea a fost crescută, performanța a fost redusă și costurile au fost reduse.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc 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 celule de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 ° C.

Purtătorul de sarcină în acest tip de pile de combustie este hidrogenul (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.

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

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

Performanța ridicată a centralelor termice și electrice pe pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de căldură și electricitate este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. 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 combustie; acest tip de celulă funcționează cu combustibil natural reformat. Designul simplu, volatilitatea scăzută a electroliților și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantaje ale acestui tip de pile de combustie.

Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse industrial. Unitățile de 11 MW au fost testate în consecință. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

Pile de combustibil cu schimb de protoni pe membrană (MOPTE)

Pilele de combustie cu membrană sunt considerate cel mai bun tip de celulă de combustie pentru generarea energiei vehiculelor, care poate înlocui motoarele cu combustie internă pe benzină și diesel. Aceste celule de combustibil au fost folosite pentru prima dată de NASA pentru programul Gemini. Astăzi, unități MOPTE cu o capacitate de la 1W la 2 kW sunt dezvoltate și demonstrate.

Aceste celule de combustibil folosesc o membrană polimerică solidă (film subțire de plastic) ca electrolit. Atunci când este impregnat cu apă, acest polimer permite trecerea protonilor, dar nu conduce electronii.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, o moleculă de hidrogen este împărțită într-un ion de 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 la catod și se combină cu electronii și ionii de hidrogen pentru a forma apă. Pe electrozi au loc următoarele reacții:

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

În comparație cu alte tipuri de celule de combustie, celulele de combustie cu membrană cu schimb de protoni produc mai multă energie pentru un anumit volum sau greutate al celulei de combustibil. Această caracteristică le permite să fie compacte și ușoare. În plus, temperatura de funcționare este mai mică de 100 ° C, ceea ce permite o pornire rapidă a funcționării. Aceste caracteristici, precum și capacitatea de a modifica rapid producția de energie, sunt doar câteva dintre caracteristicile care fac din aceste celule de combustibil un candidat principal pentru utilizarea vehiculelor.

Un alt avantaj este că electrolitul este o substanță solidă, nu lichidă. Menținerea gazelor la catod și anod este mai ușor cu un electrolit solid și, prin urmare, astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de fabricat. În comparație cu alți electroliți, atunci când se folosește un electrolit solid, nu există dificultăți precum orientarea, există mai puține probleme din cauza apariției coroziunii, ceea ce duce la o viață mai lungă a celulei și a componentelor sale.

Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pilele 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 special. Pentru a face față unor astfel de temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid, subțire, pe bază de ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O 2 -). Tehnologia de utilizare a celulelor de combustie cu oxid solid s-a dezvoltat de la sfârșitul anilor 1950. și are două configurații: plană și tubulară.

Electrolitul solid asigură o tranziție închisă ermetic a gazului de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină din acest tip de pile de combustie 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 hidrogenul pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacția la anod: 2H 2 + 2O 2 - => 2H 2 O + 4e -
Reacția 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 combustie - 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 combustie de înaltă temperatură cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibride pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 70%.

Pilele de combustibil cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600 ° C – 1000 ° C), ceea ce necesită mult timp pentru a atinge 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 necurați, care rezultă din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale și altele asemenea. De asemenea, această pilă de combustie este excelentă pentru funcționarea cu putere mare, inclusiv pentru centralele industriale și centrale mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

Pile de combustibil cu oxidare directă a metanolului (POMTE)

Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului trece printr-o perioadă de dezvoltare activă. S-a impus cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptopurilor, precum și al creării de surse portabile de alimentare. spre ce se urmărește utilizarea viitoare a acestor elemente.

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele de combustibil cu membrană de schimb de protoni (MOPTE), adică un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Cu toate acestea, metanolul lichid (CH 3 OH) este oxidat în prezența apei la anod, cu eliberarea de CO 2, 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.

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

Dezvoltarea acestor celule de combustibil a început la începutul anilor 1990. Odată cu dezvoltarea catalizatorilor îmbunătățiți și a altor inovații recente, densitatea puterii și eficiența au crescut la 40%.

Aceste elemente au fost testate într-un interval de temperatură de 50-120 ° C. Cu temperaturile lor scăzute de funcționare și fără nevoie de un convertor, pilele de combustie cu metanol direct sunt cel mai bun candidat pentru aplicații atât pentru telefoane mobile, cât și pentru alte bunuri de larg consum și motoare de automobile. Avantajul acestui tip de pile de combustie este dimensiunea sa redusa, datorita folosirii combustibilului lichid si absenta necesitatii unui convertor.

Pile de combustibil alcaline (SHFC)

Pilele de combustibil alcaline (ALFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii, utilizate încă de la mijlocul anilor 1960. de către NASA în programele Apollo și Space Shuttle. La bordul acestor nave spațiale, celulele de combustibil produc energie electrică și apă potabilă. Pilele de combustie alcaline sunt unul dintre cele mai eficiente elemente utilizate pentru generarea de energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

Pilele de combustibil alcaline folosesc 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 combustie, care variază de la 65 ° C la 220 ° C. Purtătorul de sarcină din SHFC este un ion hidroxil (OH -), care se deplasează de la catod la anod, unde reacţionează cu hidrogenul, producând apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxil acolo. Această serie de reacții în celula de combustie produce energie electrică și, ca produs secundar, căldură:

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

Avantajul SHFC este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de fabricat, deoarece catalizatorul care este necesar pe electrozi poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. În plus, SHFC 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 conținut în combustibil sau aer. CO 2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea trebuie să funcționeze cu hidrogen și oxigen pur. Mai mult, molecule precum CO, H2O și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustie, și chiar combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SHFC.

Pile de combustibil cu electrolit polimer (PETE)

În cazul pilelor de combustie cu electroliți polimeri, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care conductivitatea ionilor de apă H 2 O + (proton, roșu) este atașată de 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.

Pile de combustie cu acid solid (TKTE)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (C s HSO 4 ) nu conține apă. Prin urmare, temperatura de funcționare este de 100-300 ° C. Rotația oxianionilor SO 4 2- permite protonilor (roșu) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o pilă de combustie acidă solidă este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi strâns comprimați pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, păstrând capacitatea de contacte multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al celulelor), electrolit și electrozi.

Motorul tradițional cu ardere internă (ICE) are o serie de dezavantaje semnificative, ceea ce îi face pe oamenii de știință să caute un înlocuitor demn pentru acesta. Cea mai populară opțiune pentru o astfel de alternativă este motorul electric, dar nu este singurul care poate concura cu motorul cu ardere internă. Acest articol se va concentra pe motorul cu hidrogen, care este considerat pe bună dreptate viitorul industriei auto și poate rezolva problema emisiilor nocive și a costului ridicat al combustibilului.

Poveste scurta

În ciuda faptului că conservarea mediului a devenit abia acum o problemă de masă, oamenii de știință s-au gândit înainte să schimbe motorul cu ardere internă standard. Astfel, un motor alimentat cu hidrogen „a văzut lumea” încă din 1806, care a fost facilitat de inventatorul francez François Isaac de Rivaz (el a produs hidrogen prin electroliza apei).

Au trecut câteva decenii și primul brevet pentru un motor cu hidrogen a fost eliberat în Anglia (1841), iar în 1852 oamenii de știință germani au proiectat un motor cu ardere internă care ar putea funcționa pe un amestec aer-hidrogen.

Puțin mai târziu, în timpul asediului Leningradului, când benzina era insuficientă și hidrogenul era disponibil în cantități mari, tehnicianul Boris Shelishch a sugerat utilizarea unui amestec aer-hidrogen pentru operarea baloanelor de baraj. După aceea, toate ICE-urile troliurilor aerostatului au fost trecute la putere cu hidrogen, iar numărul total de mașini alimentate cu hidrogen a ajuns la 600 de unități.

În prima jumătate a secolului XX, interesul publicului pentru motoarele cu hidrogen era scăzut, dar odată cu apariția crizei de combustibil și energie din anii 70, situația s-a schimbat dramatic. În special, în 1879, BMW a produs prima mașină care a avut destul succes pe hidrogen (fără explozii și vapori de apă să scape din țeava de eșapament).

După BMW, alți mari producători auto au început să lucreze în această direcție și, până la sfârșitul secolului trecut, aproape fiecare companie auto care se respectă avea deja conceptul de a dezvolta o mașină pe bază de hidrogen. Cu toate acestea, odată cu sfârșitul crizei petrolului, interesul public pentru sursele alternative de combustibil a dispărut, deși în zilele noastre începe să se trezească din nou, alimentat de ecologiștii care luptă pentru reducerea toxicității gazelor de eșapament auto.

În plus, prețurile la energie și dorința de a câștiga independența combustibilului nu contribuie decât la realizarea cercetărilor teoretice și practice de către oameni de știință din multe țări ale lumii. Cele mai active sunt BMW, General Motors, Honda Motor, Ford Motor.

Fapt interesant! Hidrogenul este cel mai abundent element din Univers, dar va fi foarte greu să-l găsim în forma sa pură pe planeta noastră.

Principiul de funcționare și tipurile unui motor cu hidrogen

Principala diferență dintre o instalație de hidrogen și motoarele tradiționale este metoda de furnizare a unui fluid combustibil și aprinderea ulterioară a amestecului de lucru. În același timp, principiul transformării mișcărilor alternative ale mecanismului manivelei în muncă utilă rămâne neschimbat. Având în vedere că arderea păcurului are loc destul de lent, amestecul combustibil-aer umple camera de ardere înainte ca pistonul să-și ia poziția cea mai sus (așa-numitul punct mort superior).

Reacția rapidă a hidrogenului face posibilă deplasarea timpului de injecție mai aproape de momentul în care pistonul începe să revină la punctul mort inferior. Trebuie remarcat faptul că presiunea din sistemul de alimentare nu va fi neapărat mare.

Dacă se creează condiții ideale de funcționare pentru un motor cu hidrogen, atunci acesta poate avea un sistem de alimentare cu combustibil de tip închis, atunci când procesul de formare a amestecului are loc fără participarea curenților de aer atmosferici. În acest caz, după cursa de compresie, în camera de ardere rămân vaporii de apă care, trecând prin radiator, se condensează și se transformă din nou în apă obișnuită.

Cu toate acestea, utilizarea acestui tip de dispozitiv este posibilă numai atunci când vehiculul are un electrolizor care separă hidrogenul de apă pentru reacția sa cu oxigenul. În acest moment, este extrem de dificil să obții astfel de rezultate. Este folosit pentru funcționarea stabilă a motorului, iar vaporii săi fac parte din gazele de eșapament.

Prin urmare, o pornire fără probleme a centralei electrice și funcționarea sa stabilă pe gaz oxigenat fără utilizarea aerului atmosferic este până acum o sarcină imposibilă. Există două variante de instalații de hidrogen pentru automobile:unități care funcționează pe bază de celule de combustibil cu hidrogen și motoare cu ardere internă pe hidrogen.

Centrale electrice bazate pe pile de combustibil cu hidrogen

Principiul de funcționare al celulelor de combustie se bazează pe reacții fizice și chimice. De fapt, acestea sunt aceleași baterii de stocare cu plumb, dar eficiența celulei de combustie este puțin mai mare decât a bateriei și este de aproximativ 45% (uneori mai mult).

În corpul celulei de combustie hidrogen-oxigen este plasată o membrană (ea conduce doar protonii), care separă camera cu anodul și camera cu catodul. Hidrogenul intră în cameră împreună cu anodul, iar oxigenul intră în camera catodică. Fiecare electrod este acoperit în avans cu un strat de catalizator, care este adesea jucat de platină. Când este expus la acesta, hidrogenul molecular începe să piardă electroni.

În același timp, protonii trec prin membrană către catod și, sub influența aceluiași catalizator, se combină cu electronii veniți din exterior. Ca rezultat al reacției, se formează apă, iar electronii din camera anodului se deplasează într-un circuit electric conectat la motor. Mai simplu spus, obținem un curent electric care alimentează motorul.

Motoarele cu hidrogen bazate pe celule de combustibil sunt acum folosite pe vehiculele Niva echipate cu centrala Antel-1 și vehiculele Lada 111 cu o unitate Antel-2, care au fost dezvoltate de inginerii Ural.În primul caz, o încărcare este suficientă pentru 200 km, iar în al doilea - pentru 350 km.

De remarcat că, datorită costului ridicat al metalelor (paladiu și platină) incluse în proiectarea unor astfel de motoare cu hidrogen, astfel de instalații au un cost foarte ridicat, ceea ce crește semnificativ prețul vehiculului pe care sunt instalate.

Tu stii?Toyota a început să lucreze cu tehnologia celulelor de combustibil în urmă cu 20 de ani. Proiectul hibrid Prius a fost lansat în acea perioadă.

Motoare cu ardere internă pe hidrogen

Acest tip de centrală este foarte asemănătoare cu motoarele cu propan comune astăzi, prin urmare, pentru a trece de la propan la hidrogen, este suficient să reconfigurați pur și simplu motorul. Există deja multe exemple de astfel de tranziție, dar trebuie spus că în acest caz eficiența va fi puțin mai mică decât atunci când se utilizează pile de combustie. În același timp, pentru a obține 1 kW de energie cu hidrogen, este nevoie de mai puțină, ceea ce compensează pe deplin acest dezavantaj.

Utilizarea acestei substanțe într-un motor cu ardere convențională va cauza o serie de probleme. La început, temperatura ridicată de compresie va „forța” hidrogenul să reacționeze cu părțile metalice ale motorului sau chiar cu uleiul de motor. În al doilea rând, chiar și o mică scurgere la contactul cu o galerie de evacuare fierbinte va provoca cu siguranță un incendiu.

Din acest motiv, pentru a crea structuri cu hidrogen se folosesc doar unități de putere de tip rotativ, deoarece proiectarea lor reduce riscul de incendiu din cauza distanței dintre galeriile de admisie și evacuare. În orice caz, toate problemele au fost ocolite până acum, ceea ce face posibil să se considere hidrogenul drept un combustibil destul de promițător.

Un bun exemplu de vehicul alimentat cu hidrogen este sedanul experimental BMW 750hL, al cărui concept a fost introdus la începutul anilor 2000. Mașina este echipată cu un motor de rachetă cu doisprezece cilindri care permite mașinii să accelereze până la 140 km/h. Hidrogenul sub formă lichidă este stocat într-un rezervor special, iar una dintre rezervele sale este suficientă pentru 300 de kilometri. Dacă este consumat complet, sistemul trece automat pe benzină.

Motor cu hidrogen pe piață astăzi

Cercetări recente ale oamenilor de știință în domeniul funcționării motoarelor cu hidrogen au arătat că acestea nu doar că sunt foarte prietenoase cu mediul (cum ar fi motoarele electrice), dar pot fi foarte eficiente din punct de vedere al performanței. Mai mult, în ceea ce privește indicatorii tehnici, centralele pe hidrogen își ocolesc omologii electrici, ceea ce a fost deja dovedit (de exemplu, Honda Clarity).

De asemenea Trebuie remarcat faptul că, spre deosebire de sistemele Tesla Powerwall, analogii de hidrogen au un dezavantaj semnificativ: Nu se va mai putea încărca bateria cu ajutorul energiei solare, ci în schimb va trebui să cauți o stație de alimentare specială, dintre care astăzi, nici la scară globală, nu sunt atât de multe.

Acum, Honda Clarity a fost lansată într-un lot destul de limitat și puteți cumpăra o mașină numai în Țara Soarelui Răsare, deoarece vehiculul va apărea în Europa și America abia la sfârșitul anului 2016.

Interesant de știut!Alternatorul Power Exporter 9000 (opțional cu Honda Clarity) este capabil să alimenteze toate aparatele electrocasnice timp de aproape o săptămână.

De asemenea, în vremea noastră, sunt produse și alte vehicule care folosesc combustibil cu hidrogen. Acestea includ Mazda RX-8 hidrogen și BMW Hydrogen 7 (hibrizi care funcționează cu hidrogen lichid și benzină), precum și Ford E-450 și MAN Lion City Bus.

Dintre mașinile de pasageri, cei mai importanți reprezentanți ai vehiculelor cu hidrogen de astăzi sunt automobilele. Mercedes-Benz GLC F-Cell(există posibilitatea reîncărcării dintr-o rețea casnică obișnuită, iar rezerva totală de putere este de aproximativ 500 km), Toyota Mirai(funcționează doar cu hidrogen, iar o singură realimentare ar trebui să fie suficientă pentru 650 km) și Honda fcx claritate(autonomia de croazieră declarată atinge 700 km). Dar asta nu este tot, pentru că vehiculele pe bază de hidrogen sunt produse și de alte companii, de exemplu, Hyundai (Tucson FCEV).

Avantaje și dezavantaje principale ale motoarelor cu hidrogen

Cu toate avantajele sale, nu se poate spune că transportul hidrogenului este lipsit de anumite dezavantaje. În special, trebuie să se înțeleagă că forma combustibilă a hidrogenului la temperatura camerei și presiunea normală este sub formă de gaz, ceea ce provoacă anumite dificultăți în depozitarea și transportul unui astfel de combustibil. Adică, există o problemă serioasă în proiectarea rezervoarelor sigure pentru hidrogenul folosit ca combustibil pentru mașini.

În plus, buteliile cu această substanță necesită inspecție și certificare periodică, care pot fi efectuate numai de personal calificat și autorizat. La aceste probleme merită adăugat și costul ridicat al întreținerii unui motor cu hidrogen, ca să nu mai vorbim de un număr foarte limitat de benzinării (cel puțin la noi).

Nu uita că instalația de hidrogen crește greutatea mașinii, motiv pentru care s-ar putea să nu fie atât de manevrabilă pe cât ți-ai dori să fie. Prin urmare, ținând cont de toate cele de mai sus, gândiți-vă cu atenție: merită să cumpărați un vehicul cu hidrogen sau este mai bine să îl amânați pentru moment.

Cu toate acestea, trebuie spus că există multe avantaje într-o astfel de soluție. La început mașina dvs. nu va polua mediul cu gaze de eșapament toxice, În al doilea rând, producția în masă de hidrogen poate ajuta la rezolvarea problemei schimbării rapide a prețurilor la combustibil și a perturbărilor în furnizarea de fluide combustibile convenționale.

În plus, conductele de metan au fost deja construite în multe țări și pot fi adaptate cu ușurință pentru pomparea hidrogenului cu livrare ulterioară la benzinării. Hidrogenul poate fi produs atât la scară mică, adică la nivel local, cât și în cantități mari, la întreprinderi mari, centralizate. Creșterea producției de hidrogen va servi ca un stimul suplimentar pentru o creștere a aprovizionării cu această substanță pentru uz casnic (de exemplu, pentru încălzirea locuințelor și a birourilor).

Abonați-vă la feedurile noastre în

Celule de combustibil Este un dispozitiv electrochimic, asemănător cu o celulă galvanică, dar diferit de acesta prin faptul că i se furnizează substanțe pentru o reacție electrochimică din exterior - în contrast cu cantitatea limitată de energie stocată într-o celulă galvanică sau o baterie.

Orez. 1. Unele celule de combustibil

Pilele de combustie transformă energia chimică a combustibilului în electricitate, ocolind procesele de ardere ineficiente care duc la pierderi mari. Ele transformă hidrogenul și oxigenul în energie electrică printr-o reacție chimică. Ca rezultat al acestui proces, se formează apă și se eliberează o cantitate mare de căldură. O celulă de combustie este foarte asemănătoare cu o baterie, care poate fi încărcată și apoi consumată cu energia electrică stocată. Se crede că inventatorul celulei de combustie este William R. Grove, care a inventat-o ​​în 1839. În această pilă de combustibil, o soluție de acid sulfuric a fost folosită ca electrolit, iar hidrogenul a fost folosit ca combustibil, care a fost combinat cu oxigenul într-un mediu oxidant. Până de curând, celulele de combustie erau folosite doar în laboratoare și pe nave spațiale.

Orez. 2.

Spre deosebire de alte generatoare de energie electrică, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele care funcționează cu gaz, cărbune, păcură etc., pilele de combustie nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele de combustibil generează electricitate printr-o reacție electrochimică silentioasă. O altă caracteristică a celulelor de combustie este că transformă energia chimică a combustibilului direct în electricitate, căldură și apă.

Pilele de combustie sunt foarte eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și oxidul de azot. Singurele emisii produse de celulele de combustie sunt apa sub forma de abur si o cantitate mica de dioxid de carbon, care nu este emisa deloc daca se foloseste hidrogen pur drept combustibil. Pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale separate.

Pilele de combustibil nu au părți mobile (cel puțin în interiorul celulei în sine) și, prin urmare, nu respectă legea lui Carnot. Adică vor avea o eficiență mai mare de 50% și sunt deosebit de eficiente la sarcini mici. Astfel, vehiculele cu celule de combustie pot (și au fost deja dovedite) mai economice decât vehiculele convenționale în condiții de condus din lumea reală.

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

Există mai multe tipuri de celule de combustibil care diferă în procesele chimice utilizate. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de tipul de electrolit pe care îl folosesc.

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

1. Pile de combustibil alcaline (SHFC)

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

Orez. 3.

Pilele de combustie alcaline sunt unul dintre cele mai eficiente elemente utilizate pentru generarea de energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

Pilele de combustibil alcaline folosesc 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 combustie, care variază de la 65 ° C la 220 ° C. Purtătorul de sarcină din SHFC este un ion hidroxil (OH-), care se deplasează de la catod la anod, unde reacționează cu hidrogenul, producând apă și electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxil acolo. Această serie de reacții în celula de combustie produce energie electrică și, ca produs secundar, căldură:

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

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

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

Avantajul SHFC este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine în producție, deoarece catalizatorul care este necesar pe electrozi poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele care sunt 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 conținut în combustibil sau aer. CO2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea funcționând cu hidrogen și oxigen pur.

2. Pile de combustie pe bază de carbonat topit (RKTE)

Pile de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt celule de combustie la temperaturi ridicate. Temperatura ridicată de funcționare permite ca gazul natural să fie utilizat direct fără un combustibil de procesor și gaz combustibil cu putere calorică scăzută pentru procese industriale și 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 celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. În prezent, există două tipuri de amestecuri în uz: 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 ionică în electrolit, pilele de combustie 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 ionii de carbonat (CO32-). Acești ioni călătoresc de la catod la anod, unde se combină cu hidrogenul 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.

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

Reacția 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 combustie cu electroliți cu carbonat topit au anumite avantaje. Avantajul este abilitatea de a folosi materiale standard (tabla de otel inoxidabil si catalizator de nichel pe electrozi). Căldura reziduală poate fi folosită pentru a genera abur de înaltă presiune. Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au, de asemenea, avantaje. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult timp pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea cu monoxid de carbon a celulei de combustie, otrăvirea etc.

Pilele de combustie cu electroliți cu carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse industrial. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

3. Pile de combustie pe bază de acid fosforic (FCTE)

Pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic). au devenit primele celule de combustie pentru uz comercial. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX, testele fiind efectuate încă din anii 70 ai secolului XX. Ca urmare, stabilitatea și performanța au fost crescute și costurile au fost reduse.

Orez. 5.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc 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 celule de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 ° C.

Purtătorul de sarcină în acest tip de pile de combustie este hidrogenul (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.

Reacția la anod: 2H2 => 4H + + 4e

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

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

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

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

Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse industrial. Instalațiile cu o capacitate de 11 MW au fost testate în consecință. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

4. Pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (MOPTE)

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni sunt considerate cel mai bun tip de celule de combustie pentru generarea de energie pentru vehicule, care pot înlocui motoarele cu combustie internă pe benzină și diesel. Aceste celule de combustibil au fost folosite pentru prima dată de NASA pentru programul Gemini. Au fost dezvoltate și prezentate instalații pe MOPTE cu o capacitate de la 1W la 2 kW.

Orez. 6.

Electrolitul din aceste celule de combustibil este o membrană polimerică solidă (film subțire de plastic). Atunci când este impregnat cu apă, acest polimer permite trecerea protonilor, dar nu conduce electronii.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, o moleculă de hidrogen este împărțită într-un ion de 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 la catod și se combină cu electronii și ionii de hidrogen pentru a forma apă. Pe electrozi au loc următoarele reacții: Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e Reacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reacția globală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de celule de combustie, celule de combustie o membrană de schimb de protoni produce mai multă energie pentru un anumit volum sau greutate a unei celule de combustibil. Această caracteristică le permite să fie compacte și ușoare. În plus, temperatura de funcționare este mai mică de 100 ° C, ceea ce permite o pornire rapidă a funcționării. Aceste caracteristici, precum și capacitatea de a modifica rapid producția de energie, sunt doar câteva care fac din aceste celule de combustibil un candidat principal pentru utilizarea vehiculelor.

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

Orez. 7.

5. Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pile de combustibil cu oxid solid sunt pilele 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 special. Pentru a face față acestor temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire, pe bază de ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-). Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxid solid s-a dezvoltat de la sfârșitul anilor 1950 și are două configurații: plană și tubulară.

Electrolitul solid asigură o tranziție închisă ermetic a gazului de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină din acest tip de pile 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 hidrogenul pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt canalizați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Orez. opt.

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

Reacția 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 combustie de înaltă temperatură cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibride pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 70%.

Pilele de combustibil cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600 ° C-1000 ° C), ceea ce necesită mult timp pentru a atinge 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 necurați, care rezultă din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale și altele asemenea. De asemenea, această pilă de combustie este excelentă pentru funcționarea cu putere mare, inclusiv pentru centralele industriale și centrale mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

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

Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului Ele sunt utilizate cu succes în domeniul alimentării cu energie a telefoanelor mobile, laptop-urilor, precum și pentru crearea de surse de alimentare portabile, ceea ce urmărește utilizarea viitoare a unor astfel de elemente.

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustie cu membrană de schimb de protoni (MOPTE), adică un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit 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 trimiși 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.

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

Aceste elemente au fost testate într-un interval de temperatură de 50-120 ° C. Din cauza temperaturilor scăzute de funcționare și a lipsei necesității unui convertor, astfel de celule de combustibil sunt cel mai bun candidat pentru aplicații în telefoane mobile și alte bunuri de larg consum, precum și în motoarele de automobile. Avantajul lor este și dimensiunea mică.

7. Pile de combustibil cu electrolit polimer (PETE)

În cazul pilelor de combustie 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 de molecula de apă. Moleculele de apă reprezintă o problemă din cauza schimbului 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. Pile de combustibil acid solid (TKTE)

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

Orez. nouă.

9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustie

Orez. zece.

10. Utilizarea pilelor de combustie în mașini

Orez. unsprezece.

Orez. 12.

Sir William Grove știa multe despre electroliză, așa că a emis ipoteza că printr-un proces (care împarte apa în hidrogenul și oxigenul constituent prin trecerea electrică prin ea), ar putea produce dacă se face invers. După ce a calculat pe hârtie, a trecut la etapa experimentală și și-a putut demonstra ideile. Ipoteza dovedită a fost dezvoltată de oamenii de știință Ludwig Mond și asistentul său Charles Langre, a îmbunătățit tehnologia și, în 1889, i-a dat un nume care includea două cuvinte - „celula de combustie”.

Acum această frază a intrat ferm în viața de zi cu zi a șoferilor. Cu siguranță ați auzit acest termen „pile de combustie” de mai multe ori. În știrile de pe internet, de la televizor, cuvintele noi luminează din ce în ce mai mult. De obicei, 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 a fost lansat în SUA programul „Inițiativa pentru combustibil cu hidrogen”. Programul și-a propus să dezvolte pile 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, pentru program au fost alocate peste 1 miliard de dolari, ceea ce indică o miză serioasă pe care au făcut-o autoritățile americane.

De cealaltă parte a oceanului, producătorii de automobile au fost și ei în alertă, demarându-și sau continuând cercetările asupra mașinilor cu celule de combustie. , și chiar a continuat să lucreze la o tehnologie fiabilă pentru celulele de combustibil.

Cel mai mare succes în acest domeniu dintre toți producătorii auto mondiali a fost obținut de doi producători auto japonezi și. Modelele lor cu celule de combustie au intrat deja în producție de serie, în timp ce concurenții le urmează chiar în urma 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 pila de combustibil

De fapt, . Din punct de vedere tehnic, o pilă de combustibil poate fi definită ca un dispozitiv electrochimic pentru conversia energiei. Acesta transformă particulele de hidrogen și oxigen în apă, în proces producând simultan energie electrică, curent continuu.

Există multe tipuri de celule de combustie, unele sunt deja folosite în mașini, altele sunt supuse unor teste de cercetare. Majoritatea folosesc hidrogenul și oxigenul ca principale elemente chimice necesare transformării.

O procedură similară are loc într-o baterie convențională, singura diferență este că are deja toate substanțele chimice necesare pentru conversie „la bord”, în timp ce pila de combustie poate fi „încărcată” dintr-o sursă externă, datorită căreia procesul de „generarea” de energie electrică 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 anod, hidrogenul molecular se disociază și pierde electroni. Cationii de hidrogen sunt transportați prin membrană către catod, dar electronii sunt donați circuitului extern, deoarece membrana nu permite trecerea electronilor.

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

wikipedia.org

Aplicație în mașini

Dintre toate tipurile de celule de combustibil, se pare că cel mai bun candidat pentru aplicațiile vehiculelor sunt celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni sau, așa cum sunt numite în vest, celula de combustibil cu membrană cu schimb de polimeri (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 pentru a pune în funcțiune pilele de combustibil. Se vor încălzi rapid și vor începe să producă cantitatea necesară de electricitate. De asemenea, folosește una dintre cele mai simple reacții dintre toate tipurile de celule de combustie.

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

În plus, 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 sub presiune la bord.

În următorul deceniu, tehnologia a evoluat și unul dintre cele mai recente 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, germanii nu au fost singurii pionieri în dezvoltarea pilelor de combustibil ale viitorului. Nu uitați de cei doi japonezi, Toyota și. Unul dintre cei mai mari jucători auto a fost Honda, care a introdus o mașină de producție cu o centrală electrică cu pile 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 combustie cu hidrogen este aparent capabil să ofere mașinii futuriste o autonomie de 520 km pe un singur rezervor, care poate fi alimentat în mai puțin de cinci minute, la fel ca o mașină normală. Cifrele de consum de combustibil vor uimi orice sceptic, sunt incredibile, chiar și pentru o mașină cu o centrală clasică, consumă 3,5 litri indiferent de condițiile în care este folosită mașina, în oraș, pe autostradă sau în ciclu combinat.

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

Autonomia estimată este de 500 km, iar prețul de pornire 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.