Experții în energie notează că, în majoritatea țărilor dezvoltate, interesul pentru sursele de energie distribuite de putere relativ scăzută crește rapid. Principalele avantaje ale acestor centrale electrice autonome sunt costurile de capital moderate în timpul construcției, punerea în funcțiune rapidă, întreținerea relativ ușoară și performanța de mediu bună. Cu un sistem autonom de alimentare cu energie, nu sunt necesare investiții în linii electrice și substații. Amplasarea surselor de energie autonome direct la punctele de consum nu numai că elimină pierderile în rețele, dar crește și fiabilitatea alimentării cu energie.

Sunt bine cunoscute sursele de energie autonome, cum ar fi turbinele cu gaz mici (unități cu turbine cu gaz), motoarele cu ardere internă, turbinele eoliene și celulele solare cu semiconductor.

Spre deosebire de motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu cărbune/gaz, celulele de combustie nu ard combustibil. Ele transformă energia chimică a combustibilului în electricitate printr-o reacție chimică. Prin urmare, celulele de combustie nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră din arderea combustibilului, cum ar fi dioxid de carbon (CO2), metan (CH4) și oxid de azot (NOx). Emisiile de la celulele de combustibil sunt apă sub formă de abur și niveluri scăzute de dioxid de carbon (sau deloc emisii de CO2) dacă hidrogenul este utilizat ca combustibil pentru celule. În plus, celulele de combustie funcționează silențios deoarece nu includ rotoare zgomotoase de înaltă presiune și nu există zgomot de evacuare și vibrații în timpul funcționării.

O celulă de combustibil transformă energia chimică a unui combustibil în electricitate printr-o reacție chimică cu oxigenul sau alt agent oxidant. Pilele de combustibil constau dintr-un anod (partea negativă), un catod (partea pozitivă) și un electrolit care permite sarcinilor să se deplaseze între cele două părți ale unei celule de combustibil (Figura: Diagrama schematică a unei celule de combustibil).

Electronii călătoresc de la anod la catod prin bucla exterioară, creând electricitate DC. Datorită faptului că principala diferență între diferitele tipuri de celule de combustie este electrolitul, pilele de combustibil sunt subdivizate în funcție de tipul de electrolit utilizat, adică. pile de combustie de înaltă și joasă temperatură (TEPM, PMTE). Hidrogenul este cel mai comun combustibil, dar uneori pot fi folosite și hidrocarburi precum gazul natural și alcoolii (adică metanolul). Pilele de combustie diferă de baterii prin aceea că necesită o sursă constantă de combustibil și oxigen/aer pentru a menține o reacție chimică și produc energie electrică atâta timp cât sunt furnizate.

Pilele de combustibil au următoarele avantaje față de sursele convenționale de energie, cum ar fi motoarele cu ardere sau bateriile:

• Pilele de combustie sunt mai eficiente decât motoarele diesel sau pe gaz.
• Majoritatea celulelor de combustibil funcționează silențios în comparație cu motoarele cu ardere internă. Prin urmare, sunt potrivite pentru clădiri cu cerințe speciale, cum ar fi spitalele.
• Pilele de combustie nu conduc la poluarea cauzată de arderea combustibililor fosili; de exemplu, numai apa este un produs secundar al pilelor de combustibil cu hidrogen.
• Dacă hidrogenul este produs prin electroliza apei furnizată de o sursă de energie regenerabilă, atunci când se utilizează pile de combustie, nu se emite gaz cu efect de seră pe tot parcursul ciclului.
• Pilele de combustie nu necesită combustibili convenționali, cum ar fi petrolul sau gazul, astfel încât puteți scăpa de dependența economică de țările producătoare de petrol și puteți oferi o mai mare siguranță energetică.
• Pilele de combustie nu depind de rețelele electrice, deoarece hidrogenul poate fi produs oriunde există apă și electricitate, iar combustibilul produs poate fi distribuit.
• Atunci când se utilizează pile de combustie staționare pentru producerea de energie în punctul de consum, pot fi utilizate rețele energetice descentralizate, care sunt potențial mai stabile.
• Pilele de combustibil cu temperatură joasă (TEPM, PMTE) au un transfer de căldură scăzut, ceea ce le face ideale pentru o varietate de aplicații.
• Pilele de combustibil cu temperatură mai înaltă produc energie termică de proces de înaltă calitate împreună cu electricitate și sunt potrivite pentru cogenerare (cum ar fi producția combinată de căldură și electricitate pentru clădirile rezidențiale).
• Durata de funcționare este semnificativ mai mare decât durata de funcționare a bateriilor, deoarece este necesar doar mai mult combustibil pentru a crește timpul de funcționare și nu este necesară creșterea productivității instalației.
• Spre deosebire de baterii, pilele de combustibil au un „efect de memorie” atunci când sunt alimentate.
• Pilele de combustie sunt ușor de întreținut deoarece nu au părți mari în mișcare.

Cel mai comun combustibil pentru celulele de combustie este hidrogenul, deoarece nu emite poluanți nocivi. Cu toate acestea, pot fi utilizați și alți combustibili, iar pilele de combustibil cu gaz natural sunt considerate o alternativă eficientă atunci când gazul natural este disponibil la prețuri competitive. În celulele de combustie, fluxul de combustibil și oxidanți trece prin electrozi care sunt separați de un electrolit. Aceasta determină o reacție chimică care produce electricitate; nu necesită arderea combustibilului sau adăugarea de energie termică, ceea ce este de obicei cazul metodelor tradiționale de generare a energiei electrice. Când hidrogenul natural pur este folosit ca combustibil, iar oxigenul este folosit ca agent oxidant, ca urmare a reacției care are loc într-o pilă de combustie, se generează apă, energie termică și electricitate. Atunci când sunt utilizate cu alți combustibili, celulele de combustie emit emisii de poluanți foarte scăzute și produc energie electrică fiabilă și de înaltă calitate.

Avantajele celulelor de combustie cu gaz natural sunt următoarele:

• Beneficii pentru mediu- Pilele de combustie sunt o metodă curată de generare a energiei electrice din combustibili fosili. Între timp, celulele de combustie care funcționează cu hidrogen și oxigen pur produc doar apă, electricitate și căldură; alte tipuri de celule de combustibil emit cantități neglijabile de compuși ai sulfului și niveluri foarte scăzute de dioxid de carbon. Cu toate acestea, dioxidul de carbon emis de celulele de combustie este concentrat și poate fi ușor conținut în loc să fie eliberat în atmosferă.
• Eficienţă„Pilele de combustie transformă energia disponibilă în combustibilii fosili în energie electrică mult mai eficient decât generarea tradițională de electricitate prin ardere. Aceasta înseamnă că este necesar mai puțin combustibil pentru a produce aceeași cantitate de electricitate. Potrivit Laboratorului Național de Tehnologie Energetică, pot fi produse 58 de celule de combustie (în combinație cu turbine cu gaz natural) care vor funcționa în domeniul de putere de la 1 la 20 MWe cu o eficiență de 70%. Această eficiență este mult mai mare decât eficiența care poate fi atinsă cu metodele convenționale de generare a energiei în intervalul de putere specificat.
• Productie distribuita- Pilele de combustie pot fi produse la dimensiuni foarte mici; acest lucru le permite să fie amplasate acolo unde este nevoie de electricitate. Acest lucru se aplică instalațiilor pentru clădiri rezidențiale, comerciale, industriale și chiar vehicule.
• Fiabilitate- Pilele de combustie sunt dispozitive complet închise, fără piese mobile sau utilaje complexe. Acest lucru le face surse fiabile de energie electrică care pot funcționa multe ore. În plus, sunt surse aproape silentioase și sigure de energie electrică. De asemenea, nu există creșteri ale energiei electrice în celulele de combustie; aceasta înseamnă că pot fi utilizate oriunde este nevoie de o sursă permanentă și fiabilă de energie electrică.

Până de curând, celulele de combustie (FC), care sunt generatoare electrochimice capabile să transforme energia chimică în energie electrică, ocolind procesele de ardere, transformând energia termică în energie mecanică, iar aceasta din urmă în energie electrică, erau mai puțin populare. Energia electrică este generată în celulele de combustie printr-o reacție chimică între un agent reducător și un agent oxidant, care sunt furnizate în mod continuu electrozilor. Hidrogenul este cel mai adesea agentul reducător, oxigenul sau aerul este agentul de oxidare. Combinația unei baterii de celule de combustie și dispozitive pentru furnizarea de reactivi, îndepărtarea produselor de reacție și căldură (care poate fi utilizată) este un generator electrochimic.
În ultimul deceniu al secolului XX, când problemele de fiabilitate a alimentării cu energie și problemele de mediu au devenit deosebit de importante, multe firme din Europa, Japonia și Statele Unite au început să dezvolte și să producă mai multe opțiuni pentru pile de combustibil.
Cele mai simple sunt celulele de combustibil alcaline, de la care a început dezvoltarea acestui tip de surse de energie autonome. Temperatura de funcționare în aceste celule de combustibil este de 80-95 ° C, electrolitul este o soluție de 30% de potasiu caustic. Pilele de combustibil alcaline funcționează pe hidrogen pur.
Recent, o pilă de combustibil PEM cu membrane schimbătoare de protoni (cu un electrolit polimer) a devenit larg răspândită. Temperatura de funcționare în acest proces este, de asemenea, de 80-95 ° C, dar ca electrolit este utilizată o membrană solidă schimbătoare de ioni cu acid perfluorosulfonic.
Desigur, cea mai atractivă din punct de vedere comercial este celula de combustibil cu acid fosforic PAFC, care are o eficiență de 40% doar pentru a genera electricitate și de 85% atunci când folosește căldura degajată. Temperatura de funcționare a acestei celule de combustibil este de 175-200 ° C, electrolitul este acid fosforic lichid, care impregnează carbura de siliciu legată cu teflon.

Pachetul de celule este echipat cu doi electrozi de grafit poros și acid ortofosforic ca electrolit. Electrozii sunt acoperiți cu un catalizator de platină. În reformator, gazul natural, atunci când interacționează cu aburul, se transformă în hidrogen și CO, care este oxidat în continuare la CO2 în convertor. În plus, moleculele de hidrogen sub influența catalizatorului se disociază la anod în ioni de H. Electronii eliberați în această reacție sunt direcționați prin sarcină către catod. La catod, ei reacţionează cu ionii de hidrogen care se difuzează prin electrolit şi cu ionii de oxigen care se formează ca rezultat al reacţiei de oxidare catalitică a oxigenului atmosferic la catod, formând în final apă.
Pilele de combustie cu carbonat topit de tip MCFC sunt, de asemenea, tipuri promițătoare de celule de combustie. Când funcționează pe metan, această pilă de combustibil are o eficiență a energiei electrice de 50-57%. Temperatura de funcționare 540–650 ° С, electrolit - carbonat topit de alcalii de potasiu și sodiu într-o carcasă - o matrice de oxid de litiu-aluminiu LiA102.
În cele din urmă, cea mai promițătoare pilă de combustibil este SOFC. Este o pilă de combustie cu oxid solid care folosește orice combustibil gazos și este cea mai potrivită pentru instalații relativ mari. Eficiența sa energetică este de 50-55%, iar atunci când este utilizat în instalații cu ciclu combinat, până la 65%. Temperatura de funcționare este de 980-1000 ° C, electrolitul este zirconiu solid stabilizat cu ytriu.

În fig. 2 prezintă o baterie SOFC cu 24 de celule dezvoltată de Siemens Westinghouse Power Corporation (SWP - Germania). Această baterie este coloana vertebrală a unui generator electrochimic alimentat cu gaz natural. Primele teste demonstrative ale unei centrale electrice de acest tip cu o putere de 400 W au fost efectuate încă din 1986. În anii următori, proiectarea pilelor de combustie cu oxid solid a fost îmbunătățită și puterea lor a crescut.

Cele mai reușite au fost testele demonstrative ale unei unități de 100 kW puse în funcțiune în 1999. Centrala a confirmat posibilitatea de a genera energie electrică cu randament ridicat (46%) și, de asemenea, a arătat o stabilitate ridicată a caracteristicilor. Astfel, s-a dovedit posibilitatea de funcționare a centralei pentru cel puțin 40 de mii de ore cu o scădere admisibilă a capacității acesteia.

În 2001, a fost dezvoltată o nouă centrală electrică cu oxid solid, care funcționează la presiunea atmosferică. Bateria (generator electrochimic) cu o centrală de 250 kW cu generare combinată de putere și căldură includea 2304 celule tubulare de oxid solid. În plus, unitatea includea un invertor, un regenerator, un încălzitor de combustibil (gaz natural), o cameră de ardere pentru încălzirea aerului, un schimbător de căldură pentru încălzirea apei folosind căldura gazelor de ardere și alte echipamente auxiliare. În același timp, dimensiunile de gabarit ale instalației au fost destul de moderate: 2,6x3,0x10,8 m.
Specialiștii japonezi au obținut un oarecare succes în dezvoltarea pilelor de combustibil mari. Lucrările de cercetare au început în Japonia încă din 1972, dar progrese semnificative au fost realizate abia la mijlocul anilor '90. Modulele experimentale de celule de combustie aveau o capacitate de 50 până la 1000 kW, 2/3 dintre ele funcționând cu gaz natural.
În 1994, în Japonia a fost construită o fabrică de celule de combustie de 1 MW. Cu o eficiență globală (cu producția de abur și apă caldă) egală cu 71%, unitatea a avut un randament de cel puțin 36% în ceea ce privește alimentarea cu energie electrică. Din 1995, potrivit rapoartelor de presă, la Tokyo a funcționat o centrală pe pile de combustie cu acid fosforic cu o capacitate de 11 MW, iar capacitatea totală a pilelor de combustie produse până în 2000 a ajuns la 40 MW.

Toate instalațiile de mai sus sunt clasificate ca industriale. Dezvoltatorii lor se străduiesc în mod constant să crească puterea unităților pentru a îmbunătăți caracteristicile costurilor (costuri unitare pe kW de capacitate instalată și costul energiei electrice generate). Există însă mai multe companii care își pun o altă sarcină: să dezvolte cele mai simple instalații pentru consumul casnic, inclusiv sursele de alimentare individuale. Și în acest domeniu există realizări semnificative:

• Plug Power LLC a dezvoltat o centrală cu celule de combustibil de 7 kW pentru a alimenta o casă;
• H Power corporation produce încărcătoare utilizate în transport pentru baterii cu o capacitate de 50-100 W;
• Companie de stagiari. Fuel Cells LLC produce vehicule și surse personale de alimentare cu o putere de 50-300 wați;
• Analytic Power Corporation a dezvoltat surse de alimentare personale de 150 W pentru armata SUA, precum și unități de celule de combustie pentru surse de energie de uz casnic, de la 3 kW la 10 kW.

Care sunt avantajele celulelor de combustie care au determinat numeroase companii să investească sume uriașe de bani în dezvoltarea lor?
Pe lângă fiabilitatea ridicată, generatoarele electrochimice au o eficiență ridicată, ceea ce le deosebește favorabil de unitățile cu turbină cu abur și chiar de unitățile cu o unitate de turbină cu gaz cu ciclu simplu. Un avantaj important al celulelor de combustie este ușurința de utilizare ca surse de energie dispersate: designul modular permite conectarea în serie a oricărui număr de celule individuale pentru a forma o baterie - ideală pentru creșterea puterii.

Dar cel mai important argument în favoarea pilelor de combustie este performanța lor de mediu. Emisiile de NOX și CO de la aceste centrale sunt atât de scăzute încât, de exemplu, autoritățile județene pentru calitatea aerului din regiuni (unde reglementările de mediu sunt cele mai stricte din SUA) nici măcar nu menționează acest echipament în toate cerințele privind protecția mediului. atmosfera.

Numeroasele avantaje ale pilelor de combustie, din păcate, nu pot depăși în prezent singurul lor dezavantaj - costul lor ridicat. În SUA, de exemplu, costurile de capital specifice pentru construcția unei centrale electrice chiar și cu cele mai competitive pile de combustibil sunt de aproximativ 3500 USD / kW. Și deși guvernul oferă o subvenție de 1,00 USD / kW pentru a stimula cererea pentru această tehnologie, costul construirii unor astfel de instalații rămâne destul de ridicat. Mai ales în comparație cu costurile de capital pentru construcția unui mini-CHP cu o turbină cu gaz sau cu motoare cu ardere internă de o gamă de putere megawați, care sunt de aproximativ 500 USD / kW.

În ultimii ani, s-au înregistrat unele progrese în reducerea costului uzinelor de combustibil. Construcția de centrale electrice cu FC pe bază de acid fosforic cu o capacitate de 0,2-1,0 MW, menționate mai sus, a costat 1.700 USD/kW. Costul de producere a energiei în astfel de instalații din Germania, folosindu-le timp de 6.000 de ore pe an, este estimat la 7,5-10 cenți/kWh. Unitatea PC25 cu o capacitate de 200 kW, care este operată de compania energetică Hessische EAG (Darmstadt), are, de asemenea, indicatori economici buni: costul energiei electrice, inclusiv deducerile de amortizare, costurile cu combustibilul și costurile unitare de întreținere, a însumat 15 cenți / kWh. . Același indicator pentru TPP-urile alimentate cu cărbune brun a fost de 5,6 cenți/kWh în compania electrică, 4,7 cenți/kWh pentru centralele pe cărbune, 4,7 cenți/kWh pentru centralele cu ciclu combinat și 4,7 cenți/kWh pentru centralele pe motorină. 10,3 cenți / kWh.

Construcția unei fabrici mai mari de celule de combustie (N = 1564 kW), care funcționează în Köln din 1997, a necesitat costuri de capital specifice în valoare de 1500-1750 USD / kW, dar costul celulelor de combustie în sine a fost de numai 400 USD / kW. .

Toate cele de mai sus arată că pilele de combustie sunt un tip promițător de echipamente producătoare de energie atât pentru industrie, cât și pentru instalațiile autonome din sectorul utilităților. Eficiența ridicată a utilizării gazului și caracteristicile excelente de mediu dau motive de a crede că, după rezolvarea celei mai importante sarcini - reducerea costurilor - acest tip de echipament de alimentare va fi solicitat pe piața sistemelor autonome de alimentare cu energie termică și electrică.

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

Dispozitiv

Pilele de combustie sunt dispozitive electrochimice capabile să asigure o rată mare de conversie a energiei chimice existente în energie electrică.

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

1. Secția de producere a energiei;
2. CPU;
3. Transformator de tensiune.

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

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

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

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

De asemenea, în blocul convertor de tensiune există:

• Dispozitive de control.
• Circuite de interblocare de siguranță care opresc pila de combustie la diferite defecțiuni.

Principiul de funcționare

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

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

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

Vizualizări

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

• Pile de combustie pe bază de acid fosforic sau fosforic (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Dispozitive cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
• Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Generatoare electrochimice pe bază de carbonat topit (MCFC, Celule de combustie cu carbonat topit).

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

Aplicație

Astăzi, celulele de combustibil sunt folosite în naveta spațială, nave spațiale reutilizabile. Folosesc instalații cu o putere de 12 wați. Ei generează toată electricitatea din navă spațială. Apa generată de reacția electrochimică este folosită pentru băut, inclusiv pentru echipamentele de răcire.

Generatoare electrochimice au fost, de asemenea, folosite pentru a alimenta Buranul sovietic, o navă reutilizabilă.

Pilele de combustie sunt folosite și în sectorul civil.

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

Particularități

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

Perspective

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

• Mașinile vor funcționa pe celule de combustie, nu va fi deloc motor cu ardere internă în ele. Apa sau hidrogenul în stare solidă vor fi folosite ca sursă de energie. Alimentarea va fi simplă și sigură, iar conducerea este ecologică - vor fi generați doar vapori de apă.
• Toate clădirile vor avea propriile generatoare portabile de energie cu celule de combustibil.
• Generatoarele electrochimice vor înlocui toate bateriile și se vor găsi în orice electronică și aparate de uz casnic.

Avantaje și dezavantaje

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

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

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

Printre dezavantaje se numără:

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

În următorii doi ani, se așteaptă să apară pe piața calculatoarelor mobile și a dispozitivelor electronice portabile un număr mare de modele disponibile comercial echipate cu surse de alimentare bazate pe celule de combustibil chimic.

O excursie în istorie

Primele experimente de creare a pilelor de combustibil au fost efectuate în secolul al XIX-lea. În 1839, fizicianul englez Grove, în timp ce efectua electroliza apei, a descoperit că, după deconectarea unei surse externe de curent, între electrozi ia curent continuu. Cu toate acestea, descoperirile în acest domeniu, făcute de o serie de oameni de știință marcanți ai secolului al XIX-lea, nu și-au găsit aplicație practică, devenind proprietatea doar a științei academice.

Oamenii de știință au revenit la crearea pilelor de combustie pentru utilizare aplicată abia la începutul anilor 1950. În această perioadă, posibilitățile de aplicare practică a reactoarelor chimice pentru generarea de energie electrică au început să fie studiate activ de echipele de cercetare din SUA, Japonia, URSS și o serie de țări din Europa de Vest.

Prima zonă de aplicare practică a pilelor de combustibil a fost astronautica. Pile de combustie de diferite modele au fost folosite pe navele spațiale americane Gemini, Apollo și Shuttle, precum și pe naveta spațială reutilizabilă Buran creată în URSS.

Următorul val de interes pentru pilele chimice de combustibil a fost declanșat de criza energetică din anii 1970. În această perioadă, multe companii au început să cerceteze utilizarea surselor alternative de energie pentru transport, precum și pentru aplicații casnice și industriale. Apropo, tocmai în acest domeniu și-a început activitatea renumita companie ARS.

În prezent, se pot distinge patru domenii principale de aplicare a centralelor pe bază de celule de combustie: centrale electrice pentru diverse vehicule (de la scutere la autobuze), soluții staționare la scară mare și mică, precum și surse de alimentare pentru dispozitive mobile. În acest articol, ne vom concentra pe soluții pentru dispozitive portabile.

Ce sunt pilele de combustibil

În primul rând, este necesar să clarificăm despre ce se va discuta. Pilele de combustie sunt reactoare chimice specializate concepute pentru a transforma direct energia eliberată în timpul reacției de oxidare a combustibilului în energie electrică.

Trebuie remarcat faptul că pilele de combustie au cel puțin două diferențe fundamentale față de bateriile galvanice, care sunt, de asemenea, legate de dispozitivele care convertesc energia reacțiilor chimice din ele în energie electrică. În primul rând, celulele de combustie folosesc electrozi care nu sunt consumați în timpul funcționării, iar în al doilea rând, substanțele necesare reacției sunt furnizate din exterior și nu sunt introduse inițial în interiorul celulei (cum este cazul bateriilor convenționale).

Utilizarea electrozilor neconsumabile poate crește semnificativ durata de viață a celulelor de combustie în comparație cu bateriile galvanice. În plus, datorită utilizării unui sistem extern de alimentare cu combustibil, procedura de restabilire a operabilității pilelor de combustibil este mult simplificată și ieftină.

Funcționarea pilelor chimice de combustie este susținută de furnizarea a două componente utilizate pentru menținerea reacției - un combustibil și un oxidant. În funcție de tipul de pile de combustie, hidrogenul gazos, gazul natural (metan) și combustibilii lichizi cu hidrocarburi (cum ar fi alcoolul metilic) pot fi utilizați drept combustibil. Oxigenul din aer acționează de obicei ca un agent de oxidare, iar unele tipuri de celule de combustibil pot funcționa numai cu oxigen pur.

Proiectarea oricărei celule de combustie chimică constă din doi electrozi (catod și anod) și un strat de electrolit situat între ei - un mediu care asigură mișcarea ionilor de la un electrod la altul și blochează mișcarea electronilor. Pentru ca reacția să se desfășoare cu o viteză mai mare, catalizatorii sunt adesea utilizați în electrozi. În funcție de caracteristicile chimice și fizice ale electrolitului utilizat, pilele de combustie sunt împărțite în mai multe tipuri diferite (pentru mai multe detalii, consultați bara laterală „Tipuri de celule de combustie chimice”).

Beneficiile pilelor de combustibil

În comparație cu sursele răspândite în prezent de alimentare autonomă utilizate în computerele mobile și dispozitivele portabile, pilele chimice cu combustibil au o serie de avantaje importante.

În primul rând, este de remarcat eficiența ridicată a celulelor de combustie, care, în funcție de tip, este de la 40 la 60%. Eficiența ridicată face posibilă fabricarea surselor de alimentare cu un consum specific de energie mai mare, obținând astfel o scădere a greutății și dimensiunilor acestora, menținând în același timp puterea și durata de viață a bateriei. În plus, sursele de alimentare mai consumate de energie pot prelungi semnificativ durata de viață a bateriei dispozitivelor existente fără a le crește dimensiunea și greutatea.

Un alt avantaj important al celulelor de combustie chimică este posibilitatea reînnoirii aproape instantanee a resursei lor energetice chiar și în absența surselor externe de energie - pentru aceasta, este suficient să instalați un nou container (cartuș) cu combustibilul utilizat. Utilizarea electrozilor neconsumabile în procesul de reacție permite crearea pilelor de combustie cu o durată de viață foarte lungă și un cost total scăzut de proprietate.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că pilele chimice de combustibil sunt mult mai ecologice decât bateriile galvanice. Doar recipientele cu combustibil servesc ca material consumabil pentru celulele de combustie, iar principalul produs de reacție este apa obișnuită. Înlocuirea bateriilor și acumulatorilor utilizați în prezent cu celule de combustie va reduce semnificativ volumul deșeurilor de prelucrat, care conțin substanțe toxice și nocive pentru mediu.

Problema cu platina

În ciuda avantajelor evidente ale celulelor cu combustibil chimic față de multe dintre sursele de alimentare acum răspândite pentru laptop-uri și dispozitive electronice, există anumite obstacole în calea adoptării în masă a noii tehnologii.

Pilele de combustibil cu temperatură joasă de funcționare, cum ar fi PEM și DMCF, sunt cele mai potrivite pentru aplicații portabile relativ mici. Cu toate acestea, pentru a asigura o viteză acceptabilă de trecere a reacțiilor chimice în astfel de elemente, este necesar să se utilizeze catalizatori. În prezent, catalizatorii fabricați din platină și aliajele sale sunt utilizați în celulele PEM și DMCF. Având în vedere rezervele naturale relativ mici ale acestei substanțe, precum și costul ridicat al acesteia, una dintre principalele sarcini ale dezvoltatorilor de surse de alimentare bazate pe celule de combustibil este căutarea și crearea de noi catalizatori. O altă soluție posibilă la problemă este utilizarea celulelor de combustie la temperatură înaltă; cu toate acestea, din mai multe motive, astfel de surse de energie sunt în prezent nepotrivite pentru utilizarea în dispozitive portabile.

Mergând înainte: Prototipuri

În ciuda o serie de provocări, în ultimii doi ani, echipele de dezvoltare au crescut considerabil în dezvoltarea pilelor de combustie pentru laptop-uri și dispozitive electronice. În plus, a crescut și numărul companiilor care efectuează astfel de lucrări.

Dacă vorbim despre tehnologiile folosite, atunci cele mai populare soluții din acest segment sunt pilele de combustibil PEM și DMFC. Dintre companiile care dezvoltă pile de combustie pentru dispozitive mobile, aproximativ 45% s-au bazat pe tehnologia PEM, aproximativ 40% pe DMFC și mai puțin de 10% pe SOFC. Comoditatea și ușurința de utilizare a combustibililor lichizi este un avantaj semnificativ al DMFC față de PEM, iar în ultimul an a devenit clar că majoritatea proiectelor aflate în pragul comercializării se bazează pe tehnologia DMFC.

Un prototip PDA cu o pilă de combustibil integrată, creat de dezvoltatorii Hitachi

Hitachi a prezentat un prototip de PDA cu o pilă de combustibil integrată la începutul anului trecut și și-a anunțat intenția de a începe să vândă un lot de probă de astfel de dispozitive în 2005. Pentru reumplerea celulei de combustie se foloseste un cartus cilindric (1 cm in diametru si 5 cm in inaltime) care contine o solutie apoasa de metanol 20%. Potrivit dezvoltatorilor, combustibilul conținut în cartus este suficient pentru a asigura lucrul activ cu PDA-ul timp de 6-8 ore.

În iunie anul trecut, Toshiba a dezvăluit un prototip al unei celule DMFC compacte concepute pentru a alimenta playerele media digitale și telefoanele mobile. Dimensiunile acestui bloc sunt 22 - 56 - 4,5 mm, greutatea - 8,5 g. Metanolul concentrat (99,5%) este folosit ca combustibil. O realimentare (2 cm3) este suficientă pentru a furniza energie unei sarcini de 100 mW (de exemplu, un MP3 player portabil) timp de 20 de ore. În timpul dezvoltării acestui prototip, au fost aplicate mai multe soluții noi, în special, structura electrozilor și membrana polimerică a fost optimizată, permițând utilizarea metanolului concentrat ca combustibil.

Se știe că unul dintre producătorii de telefoane mobile - compania KDDI - urmărește îndeaproape dezvoltarea Toshiba și Hitachi în domeniul pilelor de combustibil de dimensiuni mici. KDDI intenționează să introducă pe piață telefoane mobile alimentate cu celule de combustibil în următorii doi ani.

Mai multe companii au demonstrat deja soluții prototip pentru laptop. În special, Casio a dezvăluit un laptop prototip echipat cu o sursă de alimentare care conține un element PEM și un convertor de metanol. La începutul anului trecut, Samsung a prezentat un prototip de laptop bazat pe platforma mobilă Centrino, echipat cu o celulă de combustie care asigură funcționarea dispozitivului timp de 10 ore.

În noiembrie 2004, angajații Institutului de Cercetare a Materialelor și Energiei din Tokyo (MERIT) au lansat informații despre munca pentru crearea unei celule de combustibil cu design propriu, care va fi mai ieftină și mai compactă decât DMFC. Va folosi ca combustibil borohidrură de sodiu. Potrivit dezvoltatorilor, datorită acestui lucru, timpul de funcționare al celulei de combustibil va crește de patru ori în comparație cu o celulă DMFC umplută cu același volum de metanol.

Prototipul celulei de combustie prezentat de angajații MERIT este realizat într-o carcasă de 80×84,6×3 mm și este capabil să funcționeze cu o sarcină de până la 20 W. Bateriile cu mai multe celule pot fi folosite pentru a alimenta dispozitive mai puternice. Conform planurilor existente, implementarea producției în serie a unor astfel de elemente este programată pentru începutul anului 2006.

S-a spart gheata...

La mijlocul lunii decembrie, Intermec Technologies a început să vândă un dispozitiv portabil pentru citirea informațiilor de la identificatorii de frecvență radio - primul dispozitiv produs în masă echipat cu un element DMFC de dimensiuni mici. Celula de combustibil Mobion folosită în dispozitiv a fost dezvoltată de MTI MicroFuel Cells, care intenționează să lanseze surse de alimentare similare pentru PDA-uri, smartphone-uri și alte dispozitive portabile. După cum au remarcat dezvoltatorii MTI MicroFuel Cells, celula Mobion permite durata de funcționare de mai multe ori a dispozitivelor fără reîncărcare în comparație cu bateriile litiu-ion de aceeași dimensiune.

Potrivit multor experți, în anul următor ar trebui așteptate o serie de dispozitive portabile disponibile comercial, echipate cu celule de combustie. Și cât de succes va avea debutul lor va determina în mare măsură viitorul pieței de alimentare portabilă.

Celule de combustibil- ce este? Când și cum a apărut? De ce este nevoie și de ce se vorbește atât de des despre ele în timpul nostru? Care sunt domeniul de aplicare, 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 transformarea energiei chimice în energie electrică. În viața modernă, sursele de curent chimic sunt folosite peste tot și sunt bateriile pentru telefoane mobile, laptopuri, PDA-uri, precum și bateriile reîncărcabile din mașini, sursele de alimentare neîntreruptibile etc. Următoarea etapă în dezvoltarea acestei zone va fi omniprezența pilelor de combustie și acesta este deja un fapt de necontestat.

Istoria pilelor de combustibil

Istoria celulelor de combustie este o altă poveste despre modul în care proprietățile materiei, odată descoperite pe Pământ, și-au găsit aplicații pe scară largă în spațiu, iar la începutul mileniului s-au întors din cer pe Pământ.

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

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

Între timp, noua tehnologie de alimentare cu energie a fost îmbunătățită treptat, iar din anii 50 ai secolului XX nu a trecut un an fără anunțurile celor mai recente invenții în acest domeniu. În 1958, primul tractor cu pile de combustie a apărut în Statele Unite, în 1959. a fost eliberată o sursă de alimentare de 5 kW pentru un aparat de sudură etc. În anii '70, tehnologia hidrogenului a decolat în spațiu: au apărut avioanele și motoarele cu rachete cu hidrogen. În anii 60, RSC Energia a dezvoltat pile de combustibil pentru programul lunar sovietic. Nici programul Buran nu s-a descurcat fără ele: au fost dezvoltate pile de combustie alcaline de 10 kW. Și spre sfârșitul secolului, celulele 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. Desigur, pe celulele de combustibil.

Ceea ce este interesant la frumoasa istorie a pilelor de combustibil este că roata este încă o invenție de neegalat în natură. Faptul este că, în ceea ce privește structura și principiul lor de funcționare, pilele de combustibil sunt similare cu o celulă biologică, care, de fapt, este o celulă de combustibil miniaturală hidrogen-oxigen. Drept urmare, omul a inventat din nou ceea ce natura folosește de milioane de ani.

Cum funcționează celulele de combustibil

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

Cea mai simplă pilă de combustie constă dintr-o membrană specială folosită ca electrolit, pe ambele părți ale căreia sunt aplicați electrozi sub formă de pulbere. Hidrogenul curge pe o parte (anod) și oxigenul (aer) pe cealaltă (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 realizat din platină sau alte metale nobile care facilitează reacția de disociere:

2H 2 → 4H + + 4e -

unde H2 este o moleculă de hidrogen biatomic (forma în care hidrogenul este prezent sub formă de gaz); H + - hidrogen ionizat (proton); e - - electron.

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

4H + + 4e - + O2 → 2H2O

Reacție totalăîntr-o celulă de combustibil este scris astfel:

2H2 + O2 → 2H2O

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 folosit pentru a conduce un dispozitiv extern conectat la o pilă de combustibil (încărcare, de exemplu, un bec):

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

Caracteristicile celulei de combustie

Pilele de combustie sunt analoge bateriilor existente in sensul ca in ambele cazuri energia electrica se obtine din energie chimica. 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 (pila de combustibil nu trebuie reîncărcată),

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

Fiecare celulă de combustibil creează tensiune in 1V... O tensiune mai mare se obține prin conectarea lor în serie. Creșterea puterii (curentului) se realizează prin conectarea în paralel a cascadelor de celule de combustibil conectate în serie.

Celule de combustibil fără limită de eficiență ca și în motoarele termice (eficiența ciclului Carnot este randamentul maxim posibil dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime).

Eficiență ridicată realizat prin conversia directă a energiei combustibilului în energie electrică. Dacă combustibilul este ars mai întâi într-un grup electrogen diesel, aburul sau gazul rezultat antrenează o turbină sau arborele unui motor cu ardere internă, care, la rândul său, antrenează un generator electric. Rezultatul este o eficiență de maxim 42%, mai des este de aproximativ 35-38%. Mai mult, din cauza multitudinii de legături, precum și din cauza limitărilor termodinamice ale randamentului maxim al motoarelor termice, randamentul existent este puțin probabil să fie crescut mai sus. Pile de combustibil existente Eficiența este de 60-80%,

Eficienta aproape nu depinde de factorul de sarcină,

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

Complet fără emisii nocive pentru mediu... Sunt eliberați doar vapori de apă puri și energie termică (spre deosebire de generatoarele diesel, care au emisii poluante de evacuare și necesită îndepărtarea lor).

Tipuri de celule de combustie

Celule de combustibil clasificate din următoarele motive:

după combustibilul utilizat,

prin presiunea și temperatura de lucru,

după natura cererii.

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

Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC);

Celulă de combustie reversibilă (RFC)

Pilă de combustibil cu metanol direct (DMFC);

Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC);

Pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC);

Pile de combustibil alcaline (AFC).

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

Probleme cu celulele de combustie

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

Catalizatorii obișnuiți de platină folosesc un metal foarte scump și de neînlocuit natural - platina. Cu toate acestea, se plănuiește 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.

Pile de combustie cu metanol (DMFC): aplicații reale

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

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

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

Sarcina principală este de a căuta 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 direct durata muncii. Dacă anterior s-a folosit o soluție de metanol 3-10%, atunci au apărut deja telefoanele mobile și PDA-uri care foloseau o soluție de 50%, iar în 2008, în condiții de laborator, MTI MicroFuel Cells și, puțin mai târziu, specialiștii Toshiba au obținut celule de combustie care funcționează pe metanol pur.

Pilele de combustibil sunt viitorul!

În sfârșit, dovada marelui viitor al pilelor de combustie este evidențiată de faptul că organizația internațională IEC (International Electrotechnical Commission), care definește standarde industriale pentru dispozitivele electronice, a anunțat deja crearea unui grup de lucru pentru elaborarea unui standard internațional pentru pile de combustibil miniaturale.

Celule de combustibil ( Celule de combustibil) Este un dispozitiv care transformă energia chimică în energie electrică. Este similară în principiu cu o baterie convențională, dar diferă prin faptul că funcționarea sa necesită o alimentare constantă cu substanțe din exterior pentru ca o reacție electrochimică să aibă loc. Pilele de combustibil sunt alimentate cu hidrogen și oxigen, iar producția este electricitate, apă și căldură. Avantajele lor includ compatibilitatea cu mediul, fiabilitatea, durabilitatea și ușurința în utilizare. Spre deosebire de bateriile convenționale, convertoarele electrochimice pot funcționa aproape la nesfârșit atâta timp cât este furnizat combustibil. Nu trebuie să fie încărcate ore întregi înainte de a fi încărcate complet. Mai mult decât atât, celulele în sine pot încărca bateria în timp ce mașina este parcata cu motorul oprit.

Cele mai frecvente în vehiculele cu hidrogen sunt pilele de combustibil cu membrană de protoni (PEMFC) și celulele de combustibil cu oxid solid (SOFC).

O celulă de combustibil cu o membrană schimbătoare de protoni funcționează după cum urmează. Între anod și catod există o membrană specială și un catalizator acoperit cu platină. Hidrogenul este furnizat anodului, iar oxigenul este furnizat catodului (de exemplu, din aer). La anod, hidrogenul este descompus de un catalizator în protoni și electroni. Protonii de hidrogen trec prin membrană și lovesc catodul, în timp ce electronii sunt eliberați în circuitul extern (membrana nu le permite să treacă). Diferența de potențial astfel obținută duce la apariția unui curent electric. Pe partea catodului, protonii de hidrogen sunt oxidați de oxigen. Ca urmare, se produc vapori de apă, care este principalul element al gazelor de eșapament ale vehiculului. Cu o eficiență ridicată, celulele PEM au un dezavantaj semnificativ - funcționarea lor necesită hidrogen pur, a cărui stocare este o problemă destul de serioasă.

Dacă se găsește un astfel de catalizator care înlocuiește platina scumpă în aceste celule, atunci va fi creată imediat o celulă de combustibil ieftină pentru generarea de energie electrică, ceea ce înseamnă că lumea va scăpa de dependența de petrol.

Celule de oxid solid

Celulele cu oxid solid SOFC sunt semnificativ mai puțin solicitante în ceea ce privește curățenia combustibilului. În plus, datorită utilizării unui reformator POX (oxidare parțială), aceste celule pot consuma benzină obișnuită ca combustibil. Procesul de transformare directă a benzinei în energie electrică este următorul. Într-un dispozitiv special - un reformator, la o temperatură de aproximativ 800 ° C, benzina se evaporă și se descompune în elementele sale constitutive.

Aceasta produce hidrogen și dioxid de carbon. Mai mult, tot sub influența temperaturii și folosind direct SOFC (format dintr-un material ceramic poros pe bază de oxid de zirconiu), hidrogenul este oxidat de oxigenul din aer. După obținerea hidrogenului din benzină, procesul continuă conform scenariului descris mai sus, cu o singură diferență: celula de combustibil SOFC, spre deosebire de dispozitivele care funcționează pe hidrogen, este mai puțin sensibilă la impuritățile din combustibilul inițial. Deci, calitatea benzinei nu ar trebui să afecteze performanța celulei de combustie.

Temperatura ridicată de funcționare a SOFC (650-800 de grade) este un dezavantaj semnificativ, procesul de încălzire durează aproximativ 20 de minute. Pe de altă parte, căldura în exces nu este o problemă, deoarece este complet îndepărtată de aerul și gazele de eșapament rămase produse de reformator și de pila de combustibil în sine. Acest lucru permite ca sistemul SOFC să fie integrat în vehicul ca dispozitiv autonom într-o carcasă izolată termic.

Structura modulară permite atingerea tensiunii necesare prin conectarea în lanț a unui set de celule standard. Și, poate cel mai important din punctul de vedere al introducerii unor astfel de dispozitive, SOFC nu are electrozi foarte scumpi pe bază de platină. Costul ridicat al acestor elemente este unul dintre obstacolele în dezvoltarea și diseminarea tehnologiei PEMFC.

Tipuri de celule de combustibil

În prezent, există aceste tipuri de celule de combustie:

• AFC- Pile de combustie alcaline (pile de combustibil alcaline);
• PAFC- Phosphoric Acid Fuel Cell (celula de combustibil cu acid fosforic);
• PEMFC- Celulă de combustie cu membrană de schimb de protoni
• DMFC- Direct Methanol Fuel Cell (pilă de combustie cu descompunere directă a metanolului);
• MCFC Celulă de combustie cu carbonat topit
• SOFC- Pilă de combustie cu oxid solid (pilă de combustibil cu oxid solid).