Celule de combustibil este un dispozitiv electrochimic similar unei celule galvanice, dar diferă de acesta prin faptul că substanțele pentru reacția electrochimică îi sunt furnizate din exterior - spre deosebire de cantitatea limitată de energie stocată într-o celulă galvanică sau baterie.
Orez. 1. Unele celule de combustibil
Pilele de combustie transformă energia chimică a combustibilului în electricitate, ocolind procesele de ardere ineficiente care au loc cu 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 poate folosi energia electrică stocată. Inventatorul celulei de combustibil este considerat a fi William R. Grove, care a inventat-o încă din 1839. Această pilă de combustibil a folosit o soluție de acid sulfuric ca electrolit și hidrogen ca combustibil, care a fost combinat cu oxigen într-un agent 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, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, păcură etc., pilele de combustibil nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele de combustie produc energie electrică 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 protoxidul de azot. Singurele emisii de la celulele de combustie sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu se eliberează deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.
Pilele de combustie nu au părți mobile (cel puțin nu 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 deveni (și s-au dovedit deja a fi) mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât vehiculele convenționale în condiții de condus din lumea reală.
Pila de combustibil produce un curent electric de tensiune constantă care poate fi utilizat pentru a conduce motorul electric, iluminatul și alte sisteme electrice din 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 combustibil sunt promițătoare pentru propulsia centralelor electrice, în timp ce altele sunt promițătoare pentru dispozitive portabile sau pentru a conduce mașini.
1. Pile de combustibil alcaline (ALFC)
Pilă de combustibil alcalină- Acesta este unul dintre primele elemente dezvoltate. Pilele de combustibil alcaline (AFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii, utilizate încă de la mijlocul anilor 60 ai secolului XX de NASA în programele Apollo și Space Shuttle. La bordul acestor nave spațiale, celulele de combustibil produc energie electrică și apă potabilă.
Orez. 3.
Pilele de combustie alcaline sunt una dintre cele mai eficiente celule folosite pentru a genera energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.
Pilele de combustibil alcaline folosesc un electrolit, 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 în SHTE este ionul 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. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în pila de combustie, se produce electricitate și, ca produs secundar, căldură:
Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e
Reacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH
Reacția generală a sistemului: 2H2 + O2 => 2H2O
Avantajul SHTE este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de produs, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. În plus, SHTE-urile funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente.
Una dintre trăsăturile caracteristice ale SHTE 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 funcționează cu hidrogen și oxigen pur.
2. Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)
Pile de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt celule de combustie la temperaturi ridicate. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din procese industriale și din alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX. De atunci, tehnologia de producție, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.
Orez. 4.
Funcționarea RCFC diferă de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit format dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. In prezent se folosesc doua tipuri de amestecuri: carbonat de litiu si carbonat de potasiu sau carbonat de litiu si carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile carbonatice și pentru 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 o temperatură de 650°C, sărurile devin conductor pentru ionii de carbonat (CO32-). 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 trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.
Reacția la anod: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e
Reacția la catod: 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 capacitatea de a utiliza materiale standard (foi de oțel inoxidabil și catalizator de nichel pe electrozi). Căldura reziduală poate fi folosită pentru a produce abur de înaltă presiune. Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au, de asemenea, avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate necesită un timp îndelungat 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 celulei de combustie prin monoxid de carbon, „otrăvire” etc.
Pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse comercial. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.
3. Pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC)
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. Rezultatul a fost stabilitate și performanță crescute și costuri reduse.
Orez. 5.
Pilele de combustibil cu acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) la concentrații de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, astfel încât aceste celule de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 °C.
Purtătorul de sarcină din celulele de combustie de acest tip este hidrogenul (H+, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC), în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează curent electric și căldură.
Reacția la anod: 2H2 => 4H+ + 4e
Reacția la catod: 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 producția combinată de căldură și electricitate, 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 care utilizează pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de energie termică și electrică este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Unitățile folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. Designul simplu, gradul scăzut de volatilitate a electrolitului și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantajele unor astfel de celule de combustie.
Centralele termice cu putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse comercial. Instalațiile cu o capacitate de 11 MW au trecut testele corespunzătoare. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.
4. Pile de combustibil cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC)
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 demonstrate instalații bazate pe MOPFC cu putere de la 1 W la 2 kW.
Orez. 6.
Electrolitul din aceste celule de combustibil este o membrană polimerică solidă (o peliculă subțire de plastic). Când este saturat 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, molecula de hidrogen este împărțită într-un ion de hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, iar electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este furnizat catodului și se combină cu electroni și ioni de hidrogen pentru a forma apă. La electrozi au loc următoarele reacții: Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reacția globală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de celulele de combustie, celulele de combustibil cu o membrană de 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 vă permite să începeți rapid funcționarea. 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 utilizare în vehicule.
Un alt avantaj este că electrolitul este mai degrabă solid decât lichid. Este mai ușor să reținem gazele la catod și anod folosind un electrolit solid, astfel încât astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de produs. Cu un electrolit solid, nu există probleme de orientare și mai puține probleme de coroziune, crescând longevitatea celulei și a componentelor sale.
Orez. 7.
5. Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)
Pile de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai mare temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate varia de la 600°C la 1000°C, permițând utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără pre-tratare specială. Pentru a face față unor astfel de temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe o bază 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 50 ai secolului XX și are două configurații: plană și tubulară.
Electrolitul solid asigură o tranziție etanșă a gazului de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este ionul 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, creând patru electroni liberi. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.
Orez. 8.
Reacția la anod: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e
Reacția la catod: O2 + 4e- => 2O2-
Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O
Eficiența producției de energie electrică este cea mai mare dintre toate pilele de combustibil - aproximativ 60%. În plus, temperaturile ridicate de funcționare permit producția combinată de energie termică și electrică pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustibil 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), rezultând un timp semnificativ necesar pentru atingerea condițiilor optime de funcționare și un răspuns mai lent al sistemului la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri rezultati din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale etc. Celula de combustie este, de asemenea, excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.
6. Pile de combustibil cu oxidare directă a metanolului (DOMFC)
Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului Ele sunt folosite cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptop-urilor, precum și pentru a crea surse de alimentare portabile, ceea ce vizează utilizarea viitoare a unor astfel de elemente.
Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MEPFC), adică Un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Dar metanolul lichid (CH3OH) se oxidează în prezența apei la anod, eliberând CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt trimiși 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: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReacția la catod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reacția generală a elementului: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Dezvoltarea unui astfel de celulele de combustie au fost realizate de la începutul anilor 90 ai secolului XX și puterea și eficiența lor specifică au fost crescute la 40%.
Aceste elemente au fost testate în intervalul de temperatură 50-120°C. Din cauza temperaturilor scăzute de funcționare și a absenței necesității unui convertor, astfel de celule de combustibil sunt un candidat principal pentru utilizarea în telefoanele mobile și alte produse de larg consum, precum și în motoarele auto. Avantajul lor este și dimensiunea lor mică.
7. Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC)
În cazul pilelor de combustie cu electroliți polimeri, membrana polimerică constă din fibre polimerice cu regiuni de apă în care ionii de apă de conducție H2O+ (proton, roșu) se atașează la o moleculă 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 (SFC)
În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO4) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 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 care sunt strâns presați împreună pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, menținând capacitatea de contact multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al elementului), electrolit și electrozi.
Orez. 9.
9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustie
Tipul de pile de combustibil | Temperatura de Operare | Eficienta generarii de energie | Tipul combustibilului | Scopul aplicatiei |
Instalatii medii si mari |
||||
Hidrogen pur | instalatii |
|||
Hidrogen pur | Instalații mici |
|||
Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi | Instalatii mici, medii si mari |
|||
Portabil instalatii |
||||
Hidrogen pur | Spaţiu cercetat |
|||
Hidrogen pur | Instalații mici |
Orez. 10.
10. Utilizarea pilelor de combustie în mașini
Orez. unsprezece.
Orez. 12.
Am introdus racordul furtunului de umplere în gâtul de umplere a combustibilului și îl întorc o jumătate de tură pentru a etanșa conexiunea. Un clic al comutatorului - și LED-ul care clipește pe pompa de benzină cu o inscripție uriașă h3 indică faptul că a început realimentarea. Un minut - și rezervorul este plin, poți pleca!
Contururile elegante ale caroseriei, suspensiile ultra joase, slick-urile cu profil redus dau o adevărată rasă de curse. Prin capacul transparent, este vizibilă o rețea complicată de conducte și cabluri. Am vazut deja pe undeva o solutie asemanatoare... A da, la Audi R8 motorul se vede si prin luneta. Dar la Audi este benzină tradițională, iar această mașină funcționează cu hidrogen. La fel ca BMW Hydrogen 7, dar spre deosebire de acesta din urmă, nu există un motor cu ardere internă. Singurele părți mobile sunt mecanismul de direcție și rotorul motorului electric. Iar energia pentru aceasta este furnizată de o pilă de combustibil. Această mașină a fost produsă de compania singaporeană Horizon Fuel Cell Technologies, specializată în dezvoltarea și producția de celule de combustie. În 2009, compania britanică Riversimple a introdus deja o mașină urbană cu hidrogen alimentată de celule de combustibil Horizon Fuel Cell Technologies. A fost dezvoltat în colaborare cu universitățile din Oxford și Cranfield. Dar Horizon H-racer 2.0 este o dezvoltare individuală.
Pila de combustibil este formată din doi electrozi poroși acoperiți cu un strat de catalizator și separați de o membrană schimbătoare de protoni. Hidrogenul de la catalizatorul anod este transformat în protoni și electroni, care călătoresc prin anod și un circuit electric extern către catod, unde hidrogenul și oxigenul se recombină pentru a forma apă.
"Merge!" - redactorul-șef mă ghiontește cu cotul în stil Gagarin. Dar nu atât de repede: mai întâi trebuie să „încălziți” celula de combustibil la sarcină parțială. Comut comutatorul în modul „încălzire” și aștept timpul alocat. Apoi, pentru orice eventualitate, umplu rezervorul până se umple. Acum să mergem: mașina, cu motorul bâzâind lin, merge înainte. Dinamica este impresionantă, deși, apropo, la ce te mai poți aștepta de la o mașină electrică - cuplul este constant la orice viteză. Deși nu pentru mult timp - un rezervor plin de hidrogen durează doar câteva minute (Horizon promite să lanseze o nouă versiune în viitorul apropiat, în care hidrogenul nu este stocat ca gaz sub presiune, ci este reținut de un material poros în absorbant ). Și, sincer vorbind, nu este foarte controlat - sunt doar două butoane pe telecomandă. Dar, în orice caz, este păcat că aceasta este doar o jucărie controlată prin radio, care ne-a costat 150 de dolari. Nu ne-ar deranja să conducem o mașină adevărată cu celule de combustibil pentru putere.
Rezervorul, un recipient elastic din cauciuc în interiorul unei carcase rigide, se întinde la realimentare și funcționează ca o pompă de combustibil, „strângând” hidrogenul în celula de combustibil. Pentru a nu „umple excesiv” rezervorul, unul dintre fitinguri este conectat cu un tub de plastic la supapa de siguranță de urgență.
Benzinărie
Fă-o singur
Aparatul Horizon H-racer 2.0 este furnizat ca kit pentru asamblare la scară largă (tip bricolaj), îl puteți cumpăra, de exemplu, pe Amazon. Cu toate acestea, asamblarea nu este dificilă - doar puneți pila de combustibil la loc și fixați-o cu șuruburi, conectați furtunurile la rezervorul de hidrogen, celula de combustibil, gâtul de umplere și supapa de urgență și tot ce rămâne este să puneți partea superioară a caroserie pe loc, fără a uita de barele de protecție față și spate. Setul include o stație de alimentare care produce hidrogen prin electroliza apei. Este alimentat de două baterii AA, iar dacă doriți ca energia să fie complet „curată”, de panouri solare (sunt și ele incluse în kit).
www.popmech.ru
Cum să faci o celulă de combustibil cu propriile mâini?
Desigur, cea mai simplă soluție la problema asigurării funcționării constante a sistemelor fără combustibil este achiziționarea unei surse de energie secundară gata făcută pe bază hidraulică sau pe orice altă bază, dar în acest caz cu siguranță nu va fi posibilă evitarea suplimentară. costuri, iar în acest proces este destul de dificil să luăm în considerare orice idee pentru zborul gândirii creative. În plus, realizarea unei celule de combustibil cu propriile mâini nu este deloc atât de dificilă pe cât ați putea crede la prima vedere și chiar și cel mai neexperimentat meșteșugar poate face față sarcinii dacă dorește. In plus, un bonus mai mult decat placut va fi costul scazut al crearii acestui element, deoarece in ciuda tuturor beneficiilor si importantei sale, va puteti descurca absolut usor cu mijloacele pe care le aveti deja la indemana.
În acest caz, singura nuanță care trebuie luată în considerare înainte de a finaliza sarcina este că puteți realiza un dispozitiv extrem de redus cu propriile mâini, iar implementarea unor instalații mai avansate și mai complexe ar trebui lăsată în continuare în seama specialiștilor calificați. În ceea ce privește ordinea lucrărilor și succesiunea acțiunilor, primul pas este completarea corpului, pentru care cel mai bine este să folosiți plexiglas cu pereți groși (cel puțin 5 centimetri). Pentru lipirea pereților carcasei și instalarea pereților despărțitori interioare, pentru care cel mai bine este să utilizați plexiglas mai subțire (3 milimetri este suficient), în mod ideal, utilizați lipici din două compozite, deși dacă doriți cu adevărat, puteți face singur lipire de înaltă calitate, folosind următoarele proporții: la 100 de grame de cloroform - 6 grame așchii din același plexiglas.
În acest caz, procesul trebuie efectuat exclusiv sub o hotă. Pentru a echipa carcasa cu așa-numitul sistem de scurgere, este necesar să găuriți cu atenție un orificiu traversant în peretele său frontal, al cărui diametru se va potrivi exact cu dimensiunile dopului de cauciuc, care servește ca un fel de garnitură între carcasa și tubul de scurgere din sticlă. În ceea ce privește dimensiunea tubului în sine, în mod ideal, lățimea acestuia ar trebui să fie de cinci până la șase milimetri, deși totul depinde de tipul de structură proiectată. Este mai probabil să spunem că vechea mască de gaz enumerată în lista de elemente necesare pentru realizarea unei pile de combustibil va provoca o oarecare surpriză în rândul potențialilor cititori ai acestui articol. Între timp, întregul beneficiu al acestui dispozitiv constă în cărbunele activ situat în compartimentele respiratorului său, care ulterior poate fi folosit ca electrozi.
Deoarece vorbim despre o consistență pudrată, pentru a îmbunătăți designul veți avea nevoie de ciorapi de nailon, din care puteți face cu ușurință o pungă și puteți pune cărbunele în ea, altfel pur și simplu se va vărsa din gaură. În ceea ce privește funcția de distribuție, concentrația de combustibil are loc în prima cameră, în timp ce oxigenul necesar funcționării normale a celulei de combustie, dimpotrivă, va circula în ultimul, al cincilea compartiment. Electrolitul în sine, situat între electrozi, trebuie să fie înmuiat într-o soluție specială (benzină cu parafină într-un raport de 125 până la 2 mililitri), iar acest lucru trebuie făcut înainte de a plasa electrolitul de aer în al patrulea compartiment. Pentru a asigura o conductivitate adecvată, deasupra cărbunelui sunt așezate plăci de cupru cu fire pre-lidate, prin care electricitatea va fi transmisă de la electrozi.
Această etapă de proiectare poate fi considerată în siguranță etapa finală, după care dispozitivul finit este încărcat, pentru care va fi nevoie de un electrolit. Pentru a-l pregăti, trebuie să amestecați alcool etilic cu apă distilată în părți egale și să începeți să introduceți treptat potasiu caustic la o rată de 70 de grame pe pahar de lichid. Primul test al dispozitivului fabricat implică umplerea simultană a primului (combustibil lichid) și a celui de-al treilea (electrolit din alcool etilic și potasiu caustic) al carcasei din plexiglas.
uznay-kak.ru
Pile de combustibil cu hidrogen | LAVENT
Îmi doream de mult să vă povestesc despre o altă direcție a companiei Alfaintek. Aceasta este dezvoltarea, vânzarea și service-ul pilelor de combustie cu hidrogen. Aș dori să explic imediat situația cu aceste pile de combustibil din Rusia.
Din cauza costului destul de ridicat și a lipsei totale de stații de hidrogen pentru încărcarea acestor celule de combustibil, vânzarea lor în Rusia nu este de așteptat. Cu toate acestea, în Europa, în special în Finlanda, aceste celule de combustibil câștigă popularitate în fiecare an. Care este secretul? Să aruncăm o privire. Acest dispozitiv este ecologic, ușor de utilizat și eficient. Vine în ajutorul unei persoane unde are nevoie de energie electrică. Îl poți lua cu tine pe drum, într-o drumeție sau îl poți folosi în casa ta la țară sau apartamentul tău ca sursă autonomă de energie electrică.
Electricitatea dintr-o pilă de combustibil este generată printr-o reacție chimică a hidrogenului din rezervor cu hidrura metalică și oxigenul din aer. Cilindrul nu este exploziv și poate fi depozitat în dulapul tău ani de zile, așteptând în aripi. Acesta este poate unul dintre principalele avantaje ale acestei tehnologii de stocare a hidrogenului. Stocarea hidrogenului este una dintre principalele probleme în dezvoltarea combustibilului cu hidrogen. Pile de combustie noi unice, ușoare, care transformă hidrogenul în energie electrică convențională în siguranță, silențios și fără emisii.
Acest tip de electricitate poate fi folosit în locuri în care nu există electricitate centrală sau ca sursă de energie de urgență.
Spre deosebire de bateriile convenționale, care trebuie încărcate și deconectate de la consumatorul electric în timpul procesului de încărcare, o pilă de combustibil funcționează ca un dispozitiv „inteligent”. Această tehnologie oferă putere neîntreruptă pe toată perioada de utilizare datorită funcției unice de economisire a energiei la schimbarea recipientului de combustibil, care permite utilizatorului să nu oprească niciodată consumatorul. Într-o carcasă închisă, celulele de combustie pot fi depozitate câțiva ani fără a pierde volumul de hidrogen și a le reduce puterea.
Celula de combustie este concepută pentru oameni de știință și cercetători, forțele de ordine, agenții de intervenție în caz de urgență, proprietarii de bărci și porturi de agrement și oricine altcineva care are nevoie de o sursă de energie fiabilă în caz de urgență. Puteți obține 12 volți sau 220 volți și atunci veți avea suficientă energie pentru a vă funcționa televizorul, stereo, frigiderul, aparatul de cafea, ceainic, aspiratorul, mașina de găurit, microsoba și alte aparate electrice.
Pilele de combustie cu hidrocelule pot fi vândute ca o singură unitate sau în baterii de 2-4 celule. Două sau patru elemente pot fi combinate fie pentru a crește puterea, fie pentru a crește amperajul.
TIMPUL DE FUNCȚIONARE A APARATELOR DE CASĂ CU PILE DE COMBUSTIBIL
| Electrocasnice | Timp de funcționare pe zi (min.) | Necesar putere pe zi (Wh) | Timp de funcționare cu celule de combustibil |
|||
| Ceainic electric | ||||||
| Cafetiera | ||||||
| Microslab | ||||||
| televizor | ||||||
| 1 bec 60W | ||||||
| 1 bec 75W | ||||||
| 3 becuri 60W | ||||||
| Computer laptop | ||||||
| Frigider | ||||||
| Lampa de economisire a energiei | ||||||
* - operație continuă
Pilele de combustie sunt complet încărcate la stații speciale de hidrogen. Dar ce se întâmplă dacă călătoriți departe de ei și nu există nicio modalitate de a vă reîncărca? Special pentru astfel de cazuri, specialiștii Alfaintek au dezvoltat cilindri pentru stocarea hidrogenului, cu care pilele de combustie vor funcționa mult mai mult.
Sunt disponibile două tipuri de cilindri: NS-MN200 și NS-MN1200 NS-MN200 asamblat este puțin mai mare decât o cutie de Coca-Cola, are o capacitate de 230 de litri de hidrogen, ceea ce corespunde la 40Ah (12V) și cântărește doar 2,5 kg. .Cilindrul de hidrură metalică NS-MH1200 deține 1200 litri de hidrogen, ceea ce corespunde la 220Ah (12V). Greutatea cilindrului este de 11 kg.
Tehnica hidrurii metalice este o modalitate sigură și ușoară de depozitare, transport și utilizare a hidrogenului. Când este stocat ca hidrură de metal, hidrogenul este mai degrabă sub formă de compus chimic decât sub formă gazoasă. Această metodă face posibilă obținerea unei densități de energie suficient de mare. Avantajul folosirii hidrurii metalice este ca presiunea din interiorul cilindrului este de numai 2-4 bari Butelia nu este exploziva si poate fi depozitata ani de zile fara a reduce volumul substantei. Deoarece hidrogenul este stocat sub formă de hidrură de metal, puritatea hidrogenului obținut din cilindru este foarte mare la 99,999%. Cilindrii de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică pot fi utilizați nu numai cu pile de combustie HC 100.200.400, ci și în alte cazuri în care este nevoie de hidrogen pur. Cilindrii pot fi conectați cu ușurință la o pilă de combustie sau la alt dispozitiv folosind un conector rapid și un furtun flexibil.
Este păcat că aceste pile de combustibil nu sunt vândute în Rusia. Dar în rândul populației noastre există atât de mulți oameni care au nevoie de ele. Ei bine, o să așteptăm și să vedem, și veți vedea, vom avea câteva. Între timp, vom cumpăra becuri economice impuse de stat.
P.S. Se pare că subiectul a dispărut în sfârșit în uitare. La mulți ani după ce a fost scris acest articol, nu a rezultat nimic din el. Poate că nu mă uit peste tot, desigur, dar ceea ce îmi atrage atenția nu este deloc plăcut. Tehnologia și ideea sunt bune, dar nu au găsit încă nicio dezvoltare.
lavent.ru
Pila de combustibil este un viitor care începe astăzi!
Începutul secolului al XXI-lea consideră ecologia una dintre cele mai importante provocări globale. Iar primul lucru la care ar trebui acordată atenție în condițiile actuale este căutarea și utilizarea surselor alternative de energie. Ei sunt cei care sunt capabili să prevină poluarea mediului nostru, precum și să abandoneze complet prețurile în continuă creștere la combustibilii pe bază de hidrocarburi.
Deja astăzi, surse de energie precum celulele solare și turbinele eoliene și-au găsit aplicație. Dar, din păcate, dezavantajul lor este asociat cu dependența de vreme, precum și de anotimp și ora zilei. Din acest motiv, utilizarea lor în industria astronautică, aeronautică și auto este abandonată treptat, iar pentru utilizare staționară sunt echipate cu surse secundare de energie - baterii.
Cu toate acestea, cea mai bună soluție este o pilă de combustibil, deoarece nu necesită reîncărcare constantă cu energie. Acesta este un dispozitiv care este capabil să prelucreze și să transforme diferite tipuri de combustibil (benzină, alcool, hidrogen etc.) direct în energie electrică.
O celulă de combustie funcționează pe următorul principiu: combustibilul este furnizat din exterior, care este oxidat de oxigen, iar energia eliberată este transformată în electricitate. Acest principiu de funcționare asigură o funcționare aproape veșnică.
De la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au studiat pila de combustibil în sine și au dezvoltat constant noi modificări ale acesteia. Așadar, astăzi, în funcție de condițiile de funcționare, există modele alcaline sau alcaline (AFC), borohidrat direct (DBFC), electro-galvanice (EGFC), metanol direct (DMFC), zinc-aer (ZAFC), microbiene (MFC), pe bază de acid formic (DFAFC) și hidruri metalice (MHFC) sunt de asemenea cunoscute.
Una dintre cele mai promițătoare este pila de combustibil cu hidrogen. Utilizarea hidrogenului în centralele electrice este însoțită de o eliberare semnificativă de energie, iar evacuarea unui astfel de dispozitiv este vapori de apă puri sau apă potabilă, care nu reprezintă nicio amenințare pentru mediu.
Testarea cu succes a celulelor de combustie de acest tip pe nave spațiale a trezit recent un interes considerabil în rândul producătorilor de electronice și diverse echipamente. Astfel, compania PolyFuel a prezentat o celulă de combustie cu hidrogen miniaturală pentru laptopuri. Dar costul prea mare al unui astfel de dispozitiv și dificultățile de realimentare nestingherită îi limitează producția industrială și distribuția largă. Honda produce, de asemenea, celule de combustibil pentru automobile de peste 10 ani. Cu toate acestea, acest tip de transport nu se pune în vânzare, ci doar pentru uzul oficial al angajaților companiei. Mașinile sunt sub supravegherea inginerilor.
Mulți oameni se întreabă dacă este posibil să asamblați o celulă de combustibil cu propriile mâini. La urma urmei, un avantaj semnificativ al unui dispozitiv de casă va fi o investiție minoră, în contrast cu un model industrial. Pentru modelul în miniatură, veți avea nevoie de 30 cm de sârmă de nichel acoperită cu platină, o bucată mică de plastic sau lemn, o clemă de baterie de 9 volți și bateria în sine, bandă adezivă transparentă, un pahar cu apă și un voltmetru. Un astfel de dispozitiv vă va permite să vedeți și să înțelegeți esența lucrării, dar, desigur, nu va fi posibil să generați energie electrică pentru mașină.
fb.ru
Pile de combustibil cu hidrogen: puțină istorie | Hidrogen
În prezent, problema deficitului de resurse energetice tradiționale și deteriorarea ecologiei planetei în ansamblu din cauza utilizării lor este deosebit de acută. Acesta este motivul pentru care, recent, s-au cheltuit resurse financiare și intelectuale semnificative pentru dezvoltarea unor înlocuitori potențial promițători pentru combustibilii cu hidrocarburi. Hidrogenul poate deveni un astfel de înlocuitor în viitorul foarte apropiat, deoarece utilizarea lui în centralele electrice este însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie, iar evacuarea este vapori de apă, adică nu reprezintă un pericol pentru mediu.
În ciuda unor dificultăți tehnice care încă există în implementarea pilelor de combustie pe bază de hidrogen, mulți producători de automobile au apreciat promisiunea tehnologiei și dezvoltă deja în mod activ prototipuri de mașini de producție capabile să folosească hidrogenul ca combustibil principal. În două mii unsprezece, Daimler AG a prezentat modele conceptuale Mercedes-Benz cu centrale electrice pe hidrogen. În plus, compania coreeană Hyndayi a anunțat oficial că nu mai intenționează să dezvolte mașini electrice, ci își va concentra toate eforturile pe dezvoltarea unei mașini cu hidrogen la prețuri accesibile.
În ciuda faptului că însăși ideea de a folosi hidrogenul ca combustibil nu este sălbatică pentru mulți, cei mai mulți nu au idee cum funcționează celulele de combustie care utilizează hidrogen și ce este atât de remarcabil la ele.
Pentru a înțelege importanța tehnologiei, vă sugerăm să privim istoria pilelor de combustibil cu hidrogen.
Prima persoană care a descris potențialul utilizării hidrogenului într-o pilă de combustibil a fost un german, Christian Friedrich. În 1838, el și-a publicat lucrările într-un reviste științifice faimoase ale vremii.
Chiar în anul următor, a fost creat un prototip al unei baterii cu hidrogen funcționale de către un judecător din Uhls, Sir William Robert Grove. Cu toate acestea, puterea dispozitivului era prea mică chiar și după standardele din acea vreme, așa că utilizarea sa practică era exclusă.
În ceea ce privește termenul „pilă de combustie”, acesta își datorează existența oamenilor de știință Ludwig Mond și Charles Langer, care în 1889 au încercat să creeze o celulă de combustie care funcționează cu aer și gazul cuptorului de cocs. Potrivit altor surse, termenul a fost folosit pentru prima dată de William White Jaques, care a decis pentru prima dată să folosească acid fosforic într-un electrolit.
În anii 1920, în Germania au fost efectuate o serie de studii, care au dus la descoperirea pilelor de combustie cu oxid solid și a modalităților de utilizare a ciclului carbonatului. Este de remarcat faptul că aceste tehnologii sunt utilizate eficient în timpul nostru.
În 1932, inginerul Francis T Bacon a început să lucreze la cercetarea directă a celulelor de combustibil pe bază de hidrogen. Înaintea lui, oamenii de știință au folosit o schemă stabilită - electrozi poroși de platină au fost plasați în acid sulfuric. Dezavantajul evident al unei astfel de scheme constă, în primul rând, în costul ridicat nejustificat din cauza utilizării platinei. În plus, utilizarea acidului sulfuric caustic a reprezentat o amenințare pentru sănătatea și uneori chiar viața cercetătorilor. Bacon a decis să optimizeze circuitul și a înlocuit platina cu nichel și a folosit o compoziție alcalină ca electrolit.
Datorită muncii productive pentru a-și îmbunătăți tehnologia, Bacon a prezentat publicului larg, deja în 1959, celula sa originală cu hidrogen, care producea 5 kW și putea alimenta o mașină de sudură. El a numit dispozitivul prezentat „Bacon Cell”.
În octombrie același an, a fost creat un tractor unic care funcționa pe hidrogen și producea douăzeci de cai putere.
În anii șaizeci ai secolului XX, compania americană General Electric a dezvoltat schema dezvoltată de Bacon și a aplicat-o programelor spațiale Apollo și NASA Gemini. Experții de la NASA au ajuns la concluzia că utilizarea unui reactor nuclear este prea costisitoare, dificilă din punct de vedere tehnic și nesigură. În plus, a trebuit să renunțăm la utilizarea bateriilor împreună cu panourile solare din cauza dimensiunilor mari ale acestora. Soluția problemei au fost celulele de combustibil cu hidrogen, care sunt capabile să furnizeze nava spațială cu energie și echipajul său cu apă curată.
Primul autobuz care folosea hidrogen drept combustibil a fost construit în 1993. Și prototipurile de mașini de pasageri alimentate cu celule de combustibil cu hidrogen au fost prezentate deja în 1997 de astfel de mărci de automobile globale precum Toyota și Daimler Benz.
Este puțin ciudat că un combustibil promițător ecologic, vândut acum cincisprezece ani într-o mașină, nu a devenit încă răspândit. Există multe motive pentru aceasta, principalele, poate, sunt politice și solicitările pentru crearea infrastructurii adecvate. Să sperăm că hidrogenul își va spune în continuare cuvântul și va deveni un concurent semnificativ pentru mașinile electrice.(odnaknopka)
energycraft.org
Creat 14.07.2012 20:44 Autor: Alexey Norkin
Societatea noastră materială fără energie nu poate doar să se dezvolte, ci chiar să existe deloc. De unde vine energia? Până nu demult, oamenii foloseau un singur mod pentru a-l obține ne-am luptat cu natura, ardând trofeele obținute în cuptoarele de la vetrele de acasă, apoi locomotivele cu abur și centralele termice puternice.
Nu există etichete pe kilowați-oră consumați de omul obișnuit modern care să indice câți ani a lucrat natura pentru ca omul civilizat să se poată bucura de beneficiile tehnologiei și câți ani mai are de muncit pentru a netezi daunele cauzate. ea de o asemenea civilizaţie. Cu toate acestea, există o înțelegere tot mai mare în societate că, mai devreme sau mai târziu, idila iluzorie se va termina. Din ce în ce mai mult, oamenii inventează modalități de a furniza energie pentru nevoile lor cu daune minime aduse naturii.
Pilele de combustibil cu hidrogen sunt Sfântul Graal al energiei curate. Ei procesează hidrogenul, unul dintre elementele comune ale tabelului periodic, și eliberează doar apă, cea mai comună substanță de pe planetă. Tabloul roz este stricat de lipsa accesului oamenilor la hidrogen ca substanță. Există o mulțime, dar numai în stare legată, iar extragerea lui este mult mai dificilă decât pomparea uleiului din adâncuri sau săpatul cărbunelui.
Una dintre opțiunile pentru producția curată și ecologică a hidrogenului este celulele de combustie microbiană (MTB), care folosesc microorganisme pentru a descompune apa în oxigen și hidrogen. Nici aici nu totul este bine. Microbii fac o treabă excelentă producând combustibil curat, dar pentru a obține eficiența necesară în practică, MTB necesită un catalizator care accelerează una dintre reacțiile chimice ale procesului.
Acest catalizator este metalul prețios platină, al cărui cost face ca utilizarea MTB-ului să fie nejustificată din punct de vedere economic și practic imposibilă.
Oamenii de știință de la Universitatea din Wisconsin-Milwaukee au găsit un înlocuitor pentru catalizatorul scump. În loc de platină, ei au propus să folosească nanorods ieftine realizate dintr-o combinație de carbon, azot și fier. Noul catalizator constă din tije de grafit cu azot încorporat în stratul de suprafață și miezuri de carbură de fier. Pe parcursul a trei luni de testare a noului produs, catalizatorul a demonstrat capacități mai mari decât cele ale platinei. Funcționarea nanorods s-a dovedit a fi mai stabilă și mai controlabilă.
Și, cel mai important, creația oamenilor de știință din universitate este mult mai ieftină. Astfel, costul catalizatorilor de platină este de aproximativ 60% din costul MTB, în timp ce costul nanorods este la 5% din prețul lor actual.
Potrivit creatorului nanorodurilor catalitice, profesorul Junhong Chen: „Pilele de combustie pot transforma direct combustibilul în electricitate. Împreună, energia electrică din surse regenerabile poate fi livrată acolo unde este nevoie, într-un mod curat, eficient și durabil.”
Profesorul Chen și echipa sa de cercetători studiază acum caracteristicile exacte ale catalizatorului. Scopul lor este de a oferi invenției lor un accent practic, pentru a o face potrivită pentru producția și utilizarea în masă.
Pe baza materialelor de la Gizmag
www.facepla.net
Pile de combustibil cu hidrogen și sisteme energetice
O mașină alimentată cu apă poate deveni în curând o realitate, iar celulele de combustibil cu hidrogen vor fi instalate în multe case...
Tehnologia celulelor de combustibil cu hidrogen nu este nouă. A început în 1776, când Henry Cavendish a descoperit pentru prima dată hidrogenul în timp ce dizolva metalele în acizi diluați. Prima pilă de combustibil cu hidrogen a fost inventată deja în 1839 de William Grove. De atunci, pilele de combustibil cu hidrogen au fost îmbunătățite treptat și sunt acum instalate în navetele spațiale, furnizându-le energie și servind drept sursă de apă. Astăzi, tehnologia celulelor de combustie cu hidrogen este pe punctul de a ajunge pe piața de masă, în mașini, case și dispozitive portabile.
Într-o pilă de combustibil cu hidrogen, energia chimică (sub formă de hidrogen și oxigen) este transformată direct (fără ardere) în energie electrică. O celulă de combustie este formată dintr-un catod, electrozi și un anod. Hidrogenul este alimentat la anod, unde este separat în protoni și electroni. Protonii și electronii au rute diferite către catod. Protonii se deplasează prin electrod către catod, iar electronii trec în jurul celulelor de combustibil pentru a ajunge la catod. Această mișcare creează ulterior energie electrică utilizabilă. Pe de altă parte, protonii și electronii hidrogenului se combină cu oxigenul pentru a forma apă.
Electrolizoarele sunt o modalitate de a extrage hidrogenul din apă. Procesul este practic opusul a ceea ce se întâmplă cu o pilă de combustibil cu hidrogen. Electrolizorul este format dintr-un anod, o celulă electrochimică și un catod. Apa și tensiunea sunt aplicate anodului, care împarte apa în hidrogen și oxigen. Hidrogenul trece prin celula electrochimică către catod și oxigenul este furnizat direct către catod. De acolo, hidrogenul și oxigenul pot fi extrase și stocate. În perioadele în care nu este necesară generarea de energie electrică, gazul acumulat poate fi îndepărtat din instalația de stocare și trecut înapoi prin celula de combustie.
Acest sistem folosește hidrogenul drept combustibil, motiv pentru care probabil există multe mituri despre siguranța lui. După explozia Hindenburgului, mulți oameni departe de știință și chiar unii oameni de știință au început să creadă că utilizarea hidrogenului este foarte periculoasă. Cu toate acestea, cercetările recente au arătat că cauza acestei tragedii a fost legată de tipul de material care a fost folosit în construcție, și nu de hidrogenul care a fost pompat în interior. După testarea siguranței stocării hidrogenului, s-a constatat că stocarea hidrogenului în celulele de combustibil este mai sigură decât depozitarea benzinei într-un rezervor de combustibil al mașinii.
Cât costă pilele moderne de combustibil cu hidrogen? În prezent, companiile oferă sisteme de combustibil cu hidrogen care produc energie pentru aproximativ 3.000 USD per kilowatt. Cercetările de marketing au stabilit că atunci când costul scade la 1.500 USD per kilowatt, consumatorii de pe piața de energie de masă vor fi gata să treacă la acest tip de combustibil.
Vehiculele cu celule de combustibil cu hidrogen sunt încă mai scumpe decât vehiculele cu motor cu ardere internă, dar producătorii explorează modalități de a aduce prețul la niveluri comparabile. În unele zone îndepărtate, unde nu există linii electrice, utilizarea hidrogenului ca combustibil sau alimentarea casei în mod independent poate fi mai economică acum decât, de exemplu, construirea infrastructurii pentru sursele tradiționale de energie.
De ce pilele de combustibil cu hidrogen nu sunt încă utilizate pe scară largă? În prezent, costul lor ridicat este principala problemă pentru răspândirea pilelor de combustie cu hidrogen. Sistemele de combustibil cu hidrogen pur și simplu nu au cerere în masă în acest moment. Cu toate acestea, știința nu stă pe loc și în viitorul apropiat o mașină care rulează pe apă poate deveni o realitate reală.
www.tesla-tehnika.biz
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 zilele noastre? Care sunt aplicațiile, 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 de curent chimic sau generator electrochimic este un dispozitiv pentru transformarea energiei chimice în energie electrică. În viața modernă, sursele de energie chimică sunt folosite peste tot și sunt bateriile pentru telefoane mobile, laptopuri, PDA-uri, precum și bateriile din mașini, sursele de alimentare neîntreruptibile etc. Următoarea etapă în dezvoltarea acestei zone va fi distribuția pe scară largă a pilelor de combustie și acesta este 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 Philosophical Journal. În același an, un englez și absolvent de la Oxford, William Robert Grove, a proiectat o celulă galvanică, numită mai târziu celula galvanică Grove, care este, de asemenea, recunoscută ca prima celulă de combustibil. Denumirea „pilei de combustie” a fost dată 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 The Mysterious Island, a prezis situația energetică actuală, scriind că „Apa va fi folosită într-o zi ca combustibil, hidrogenul și oxigenul din care este compusă vor fi folosite”.
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 anunțul celor mai recente invenții în acest domeniu. În 1958, primul tractor alimentat cu celule de combustibil 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 de rachetă alimentate cu hidrogen. În anii 60, RSC Energia a dezvoltat pile de combustibil pentru programul lunar sovietic. De asemenea, programul Buran nu s-a putut descurca fără ele: au fost dezvoltate pile de combustie alcaline de 10 kW. Și spre sfârșitul secolului, celulele de combustie 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.
În toată istoria minunată a celulelor de combustibil, lucrul interesant este că roata rămâne încă o invenție a omenirii care nu are analogi în natură. Faptul este că, în designul și principiul lor de funcționare, celulele de combustie sunt similare cu o celulă biologică, care, în esență, este o celulă de combustibil miniaturală hidrogen-oxigen. Drept urmare, omul a inventat din nou ceva pe care natura îl folosește de milioane de ani.
Principiul de funcționare al pilelor de combustie
Principiul de funcționare a celulelor de combustibil este evident chiar și din programa școlară de chimie și tocmai acesta a fost stabilit în experimentele lui William Grove în 1839. Chestia este că procesul de electroliză a apei (disocierea apei) este reversibil. Așa cum este adevărat că atunci când un curent electric trece prin apă, acesta din urmă este împărțit în hidrogen și oxigen, tot așa este și invers: 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, a avut loc o reacție lentă în cameră cu eliberare de căldură, apă și, cel mai important, 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 merge pe o parte (anod), iar oxigenul (aerul) merge 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 promovează 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.
În partea catodică a celulei de combustie, protonii (care au trecut prin electrolit) și electronii (care au trecut prin sarcina externă) se recombină 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 permite trecerea protonilor prin ea (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 celula de combustibil (o sarcină, cum ar fi un bec):
Pilele de combustie folosesc combustibil hidrogen și oxigen pentru a funcționa. Cea mai ușoară cale este cu oxigenul - este luat din aer. Hidrogenul poate fi furnizat direct dintr-un anumit recipient sau prin izolarea acestuia de o sursă externă de combustibil (gaz natural, benzină sau alcool metilic - metanol). În cazul unei surse externe, aceasta trebuie convertită chimic pentru a extrage hidrogenul. În prezent, majoritatea tehnologiilor de celule de combustibil dezvoltate pentru dispozitive portabile folosesc metanol.
Caracteristicile pilelor de combustie
funcționează doar atâta timp cât combustibilul și oxidantul sunt furnizate 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).
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:
Fiecare celulă de combustibil creează tensiune 1V. O tensiune mai mare se obține prin conectarea lor în serie. O creștere a puterii (curentului) se realizează printr-o conexiune paralelă a cascadelor de celule de combustibil conectate în serie.
În pile de combustibil nu există o limitare strictă a eficienței, ca și cel al motoarelor termice (eficiența ciclului Carnot este cea mai mare eficiență posibilă dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime).
Eficiență ridicată realizat prin conversia directă a energiei combustibilului în energie electrică. Când generatorul diesel arde mai întâi combustibilul, aburul sau gazul rezultat rotește o turbină sau arborele motorului cu ardere internă, care, la rândul său, rotește un generator electric. Rezultatul este o eficiență de maximum 42%, dar mai des este de aproximativ 35-38%. Mai mult, din cauza numeroaselor legături, precum și din cauza limitărilor termodinamice ale eficienței maxime a motoarelor termice, este puțin probabil ca eficiența existentă să fie crescută mai mult. Pentru celulele de combustibil existente Eficiența este de 60-80%,
Eficiență aproape nu depinde de factorul de sarcină,
Capacitatea este de câteva ori mai mare decât în bateriile existente,
Complet fără emisii nocive pentru mediu. Se eliberează doar vapori de apă puri și energie termică (spre deosebire de generatoarele diesel, care au evacuari poluante și necesită îndepărtarea lor).
Tipuri de celule de combustibil
Celule de combustibil clasificate dupa urmatoarele caracteristici:
în funcție de combustibilul utilizat,
prin presiunea și temperatura de funcționare,
după natura cererii.
În general, se disting următoarele: tipuri de celule de combustibil:
Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC);
Celulă de combustie cu o 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).
Un tip de celulă de combustie care funcționează la temperaturi și presiuni normale folosind hidrogen și oxigen este celula cu membrană schimbătoare de ioni. Apa rezultată nu dizolvă electrolitul solid, curge în jos și este ușor îndepărtată.
Probleme cu celulele de combustie
Principala problemă a pilelor de combustie este legată de necesitatea de a avea hidrogen „ambalat”, care ar putea fi achiziționat gratuit. Evident, problema ar trebui rezolvată în timp, dar deocamdată situația stârnește un ușor zâmbet: ce este mai întâi - puiul sau oul? Pilele de combustie nu sunt încă suficient de dezvoltate pentru a construi fabrici de hidrogen, dar progresul lor este de neconceput fără aceste fabrici. Aici remarcăm problema sursei de hidrogen. În prezent, hidrogenul este produs din gaze naturale, dar creșterea costurilor cu energia va crește și prețul hidrogenului. În același timp, în hidrogenul din gaze naturale este inevitabilă prezența CO și H 2 S (hidrogen sulfurat), care otrăvește catalizatorul.
Catalizatorii obișnuiți de platină folosesc un metal foarte scump și de neînlocuit - platina. Cu toate acestea, această problemă este planificată să fie rezolvată prin utilizarea catalizatorilor pe bază de enzime, care sunt o substanță ieftină 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 încălzire, pentru a o folosi ca căldură reziduală în absorbție mașini frigorificeși așa mai departe.
Pile de combustie cu metanol (DMFC): aplicații reale
Cel mai mare interes practic astăzi îl reprezintă celulele de combustie directă pe bază de metanol (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Laptopul Portege M100 care rulează pe o celulă de combustibil DMFC arată astfel:
Un circuit tipic de celule DMFC conține, pe lângă anod, catod și membrană, mai multe componente suplimentare: un cartus de combustibil, un senzor de metanol, o pompă de circulație a combustibilului, o pompă de aer, un schimbător de căldură etc.
Durata de funcționare a, de exemplu, a unui laptop în comparație cu bateriile este planificată a fi mărită de 4 ori (până la 20 de ore), a unui 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 găsi opțiuni pentru utilizarea unei soluții 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 de funcționare. Dacă anterior se folosea o soluție de metanol 3-10%, atunci au apărut deja telefoanele mobile și PDA-urile care foloseau o soluție de 50%, iar în 2008, în condiții de laborator, specialiștii de la MTI MicroFuel Cells și, puțin mai târziu, Toshiba au obținut celule de combustie în funcțiune. pe metanol pur.
Pilele de combustie sunt viitorul!
În cele din urmă, viitorul evident al pilelor de combustie este evidențiat de faptul că organizația internațională IEC (International Electrotechnical Commission), care stabilește standardele industriale pentru dispozitivele electronice, a anunțat deja crearea unui grup de lucru pentru elaborarea unui standard internațional pentru pilele de combustibil miniaturale. .
Cândva în viitor, la începutul secolului nostru, se poate spune că creșterea prețului petrolului și preocupările legate de mediu au dus la o extindere bruscă a orizontului producătorilor de automobile și i-au forțat să dezvolte și să introducă tot mai multe tipuri noi de combustibil și motoare.
Unul dintre acești combustibili se va numi hidrogen. După cum știți, atunci când hidrogenul și oxigenul se combină, se obține apă, ceea ce înseamnă că, dacă acest proces este folosit ca bază a unui motor de mașină, evacuarea nu va fi un amestec de gaze periculoase și elemente chimice, ci apă obișnuită.
În ciuda unor dificultăți tehnice asociate cu utilizarea pilelor de combustibil cu hidrogen (FC), producătorii de automobile nu vor renunța și își dezvoltă deja noile modele cu hidrogen ca combustibil. La Salonul Auto de la Frankfurt din 2011, ca unul dintre navele emblematice ale industriei auto, Daimler AG a prezentat publicului mai multe prototipuri Mercedes-Benz alimentate cu hidrogen. În același an, coreeanul Hyndai a anunțat că va abandona dezvoltarea vehiculelor electrice și se va concentra pe dezvoltarea de mașini care să folosească pile de combustibil cu hidrogen.
În ciuda acestei dezvoltări active, nu mulți oameni înțeleg exact ce sunt aceste pile de combustibil cu hidrogen și ce se află în interiorul lor.
Pentru a clarifica situația, să ne uităm la istoria pilelor de combustibil cu hidrogen.
Prima persoană care a descris teoretic posibilitatea creării unei celule de combustibil cu hidrogen a fost creștinul german Friedrich Schönbein. În 1838, el a descris principiul într-una dintre revistele științifice ale vremii.
Un an mai tarziu. În 1939, judecătorul galez Sir William Robert Grove a creat și a demonstrat o baterie cu hidrogen care funcționează practic. Dar încărcarea produsă de baterie nu a fost suficientă pentru ca invenția să fie utilizată pe scară largă.
Termenul de „pilă de combustie” a fost folosit pentru prima dată în 1889 de către cercetătorii Ludwig Mond și Charles Langer, care au încercat să creeze o celulă de combustie funcțională folosind aer și gaz din cuptorul de cocs. Potrivit unei alte versiuni, prima persoană care a folosit termenul „pilă de combustibil” a fost William White Jaques. De asemenea, a fost primul care a folosit acid fosforic într-o baie de electroliți.
În anii 1920, cercetările din Germania au fost pionier în utilizarea ciclului carbonatului și a celulelor de combustibil cu oxid solid, care sunt folosite astăzi.
În 1932, inginerul Francis T Bacon și-a început cercetările asupra pilelor de combustibil cu hidrogen. Înaintea lui, cercetătorii au folosit electrozi poroși de platină și acid sulfuric într-o baie de electroliți. Platina a făcut producția foarte costisitoare, iar acidul sulfuric a creat dificultăți suplimentare datorită naturii sale caustice. Baconul a înlocuit platina scumpă cu nichel și acidul sulfuric cu un electrolit alcalin mai puțin caustic.
Bacon și-a îmbunătățit constant designul și în 1959 a putut să prezinte publicului o pilă de combustie de 5 kilowați, capabilă să alimenteze o mașină de sudură. Cercetătorul și-a numit celula „Bacon Cell”.
În octombrie 1959, Harry Karl Ihrig a demonstrat un tractor de 20 de cai putere, care a devenit primul vehicul din lume alimentat de o celulă de combustie.
În anii 1960, americanul General Electric a folosit principiul celulei de combustibil Bacon și a dezvoltat un sistem de generare a energiei pentru programele spațiale Gemini și Apollo ale NASA. NASA a calculat că utilizarea unui reactor nuclear ar fi prea costisitoare, iar bateriile convenționale sau panourile solare ar necesita prea mult spațiu. În plus, pilele de combustibil cu hidrogen ar putea furniza simultan nava cu energie electrică și echipajul cu apă.
Primul autobuz alimentat cu celule de combustibil cu hidrogen a fost construit în 1993. În 1997, producătorii auto Daimler Benz și Toyota și-au prezentat prototipurile de mașini de pasageri.
- facepla.net -Comentarii:
Și au uitat să vorbească despre munca pe tema energiei combustibilului în URSS, nu?
Când se generează energie electrică, se va forma apă. și cu cât mai mult din primul, cu atât mai mult. Acum să ne imaginăm cât de repede picăturile vor înfunda toate pilele de combustibil și canalele de trecere a gazului - H2, O2 Cum va funcționa acest generator la temperaturi sub zero?
Îți propui să arzi zeci de tone de cărbune, aruncând tone de funingine în atmosferă pentru a obține hidrogen, pentru a obține câțiva amperi de curent pentru un nou-fangled adze?!
Unde sunt economiile de mediu aici?!
Iată-l – gândire scheletică!
De ce arzi tone de cărbune? Trăim în secolul 21 și deja există tehnologii care ne permit să obținem energie fără să ardem deloc. Tot ce rămâne este să acumulați în mod competent această energie pentru o utilizare ulterioară convenabilă.
În viața modernă, sursele chimice de curent ne înconjoară peste tot: acestea sunt bateriile lanternelor, bateriile telefoanelor mobile, pilele de combustie cu hidrogen, care sunt deja folosite în unele mașini. Dezvoltarea rapidă a tehnologiilor electrochimice poate duce la faptul că, în viitorul apropiat, în locul mașinilor care funcționează pe benzină, vom fi înconjurați doar de vehicule electrice, telefoanele nu se vor mai descărca rapid, iar fiecare casă va avea propria pilă electrică de combustie. generator. Unul dintre programele comune ale Universității Federale Ural și al Institutului de Electrochimie la Temperatură Înaltă al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe este dedicat creșterii eficienței dispozitivelor de stocare electrochimică și a generatoarelor de energie electrică, în parteneriat cu care publicăm Acest articol.
Astăzi, există multe tipuri diferite de baterii, care pot deveni din ce în ce mai dificil de navigat. Nu este evident pentru toată lumea cum diferă o baterie de un supercondensator și de ce o pilă de combustibil cu hidrogen poate fi utilizată fără teama de a dăuna mediului. În acest articol vom vorbi despre modul în care reacțiile chimice sunt folosite pentru a genera electricitate, care este diferența dintre principalele tipuri de surse chimice moderne de curent și ce perspective se deschid pentru energia electrochimică.
Chimia ca sursă de energie electrică
În primul rând, să ne dăm seama de ce energia chimică poate fi folosită pentru a genera electricitate. Chestia este că în timpul reacțiilor redox, electronii sunt transferați între doi ioni diferiți. Dacă cele două jumătăți ale unei reacții chimice sunt distanțate astfel încât oxidarea și reducerea să aibă loc separat una de cealaltă, atunci este posibil să ne asigurăm că un electron care părăsește un ion nu ajunge imediat la al doilea, ci trece mai întâi de-a lungul unei cale prestabilită pentru aceasta. Această reacție poate fi folosită ca sursă de curent electric.
Acest concept a fost implementat pentru prima dată în secolul al XVIII-lea de către fiziologul italian Luigi Galvani. Acțiunea unei celule galvanice tradiționale se bazează pe reacțiile de reducere și oxidare ale metalelor cu activități diferite. De exemplu, o celulă clasică este o celulă galvanică în care zincul este oxidat și cuprul este redus. Reacțiile de reducere și oxidare au loc la catod și, respectiv, la anod. Și pentru a preveni intrarea ionilor de cupru și zinc pe „teritoriu străin”, unde pot reacționa direct unul cu celălalt, între anod și catod este de obicei plasată o membrană specială. Ca urmare, între electrozi apare o diferență de potențial. Dacă conectați electrozi, de exemplu, la un bec, atunci curentul începe să curgă în circuitul electric rezultat și becul se aprinde.
Diagrama celulei galvanice
Wikimedia commons
Pe lângă materialele anodului și catodului, o componentă importantă a sursei de curent chimic este electrolitul, în interiorul căruia se mișcă ionii și la granița căruia au loc toate reacțiile electrochimice cu electrozii. În acest caz, electrolitul nu trebuie să fie lichid - poate fi fie un polimer, fie un material ceramic.
Principalul dezavantaj al celulei galvanice este timpul limitat de funcționare. De îndată ce reacția se încheie (adică întregul anod care se dizolvă treptat este complet consumat), un astfel de element pur și simplu nu va mai funcționa.
Baterii alcaline AA
Reîncărcabil
Primul pas către extinderea capacităților surselor de curent chimic a fost crearea unei baterii - o sursă de curent care poate fi reîncărcată și, prin urmare, reutilizată. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au propus pur și simplu utilizarea reacțiilor chimice reversibile. După descărcarea completă a bateriei pentru prima dată, folosind o sursă de curent externă, reacția care a avut loc în ea poate fi începută în direcția opusă. Acest lucru îl va readuce la starea inițială, astfel încât bateria să poată fi utilizată din nou după reîncărcare.
Baterie plumb-acid auto
Astăzi, au fost create multe tipuri diferite de baterii, care diferă prin tipul de reacție chimică care are loc în ele. Cele mai comune tipuri de baterii sunt bateriile cu plumb-acid (sau pur și simplu cu plumb), care se bazează pe reacția de oxidare-reducere a plumbului. Astfel de dispozitive au o durată de viață destul de lungă, iar intensitatea lor energetică este de până la 60 de wați-oră pe kilogram. Și mai populare în ultima vreme sunt bateriile litiu-ion bazate pe reacția de oxidare-reducere a litiului. Intensitatea energetică a bateriilor moderne litiu-ion depășește acum 250 de wați-oră pe kilogram.
Baterie Li-ion pentru telefonul mobil
Principalele probleme ale bateriilor litiu-ion sunt eficiența lor scăzută la temperaturi scăzute, îmbătrânirea rapidă și riscul crescut de explozie. Și datorită faptului că litiu-metal reacționează foarte activ cu apa pentru a forma hidrogen gazos și oxigenul este eliberat atunci când bateria arde, arderea spontană a unei baterii litiu-ion este foarte dificil de utilizat cu metodele tradiționale de stingere a incendiilor. Pentru a crește siguranța unei astfel de baterii și pentru a accelera timpul de încărcare a acesteia, oamenii de știință propun un material catod care previne formarea structurilor dendritice de litiu și adaugă la electrolit substanțe care provoacă formarea de structuri explozive și componente care se aprind în primele etape.
Electrolit solid
Ca o altă modalitate mai puțin evidentă de a crește eficiența și siguranța bateriilor, chimiștii au propus să nu se limiteze sursele de curent chimic la electroliți lichizi, ci să creeze o sursă de curent complet în stare solidă. În astfel de dispozitive nu există deloc componente lichide, ci o structură stratificată a unui anod solid, un catod solid și un electrolit solid între ele. Electrolitul îndeplinește simultan funcția de membrană. Purtătorii de sarcină dintr-un electrolit solid pot fi diverși ioni, în funcție de compoziția acestuia și de reacțiile care au loc la anod și catod. Dar ei sunt întotdeauna ioni suficient de mici care se pot mișca relativ liber în întregul cristal, de exemplu, protoni H +, ionii de litiu Li + sau ionii de oxigen O 2-.
Pile de combustibil cu hidrogen
Capacitatea de reîncărcare și măsurile speciale de siguranță fac bateriile surse de curent mult mai promițătoare decât bateriile convenționale, dar totuși fiecare baterie conține o cantitate limitată de reactivi și, prin urmare, o sursă limitată de energie și de fiecare dată bateria trebuie reîncărcată pentru a-și restabili. funcţionalitate.
Pentru a face o baterie „nesfârșită”, puteți folosi ca sursă de energie nu substanțele care se află în interiorul celulei, ci combustibilul special pompat prin ea. Cea mai bună alegere pentru un astfel de combustibil este o substanță cât mai simplă în compoziție, ecologică și disponibilă din abundență pe Pământ.
Cea mai potrivită substanță de acest tip este hidrogenul gazos. Oxidarea sa de către oxigenul atmosferic pentru a forma apă (conform reacției 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) este o reacție redox simplă, iar transportul electronilor între ioni poate fi folosit și ca sursă de curent. Reacția care are loc este un fel de reacție inversă la electroliza apei (în care, sub influența unui curent electric, apa se descompune în oxigen și hidrogen), iar o astfel de schemă a fost propusă pentru prima dată la mijlocul secolului al XIX-lea. .
Dar, în ciuda faptului că circuitul pare destul de simplu, crearea unui dispozitiv care funcționează eficient bazat pe acest principiu nu este deloc o sarcină banală. Pentru a face acest lucru, este necesar să se separe fluxurile de oxigen și hidrogen din spațiu, să se asigure transportul ionilor necesari prin electrolit și să se reducă posibilele pierderi de energie în toate etapele de lucru.
Schema de funcționare a unei pile de combustibil cu hidrogen
Circuitul unei celule de combustibil cu hidrogen care funcționează este foarte asemănător cu circuitul unei surse de curent chimic, dar conține canale suplimentare pentru alimentarea cu combustibil și oxidant și pentru îndepărtarea produselor de reacție și a gazelor furnizate în exces. Electrozii dintr-un astfel de element sunt catalizatori conductivi poroși. Un combustibil gazos (hidrogen) este furnizat anodului și un agent oxidant (oxigen din aer) este furnizat catodului, iar la limita fiecărui electrod cu electrolit are loc propria sa semireacție (oxidarea hidrogenului și reducerea oxigenului, respectiv). În acest caz, în funcție de tipul de pile de combustie și de tipul de electrolit, formarea apei în sine poate avea loc fie în anod, fie în spațiul catodic.
Pilă de combustibil cu hidrogen Toyota
Joseph Brent / flickr
Dacă electrolitul este un polimer conducător de protoni sau o membrană ceramică, o soluție acidă sau alcalină, atunci purtătorul de sarcină din electrolit este ioni de hidrogen. În acest caz, la anod, hidrogenul molecular este oxidat în ioni de hidrogen, care trec prin electrolit și reacţionează cu oxigenul acolo. Dacă purtătorul de sarcină este ionul de oxigen O 2–, ca în cazul unui electrolit de oxid solid, atunci oxigenul este redus la un ion la catod, acest ion trece prin electrolit și oxidează hidrogenul la anod pentru a forma apă și liber. electroni.
Pe lângă reacția de oxidare a hidrogenului, s-a propus utilizarea altor tipuri de reacții pentru celulele de combustie. De exemplu, în loc de hidrogen, combustibilul reducător poate fi metanolul, care este oxidat de oxigen în dioxid de carbon și apă.
Eficiența celulei de combustibil
În ciuda tuturor avantajelor pilelor de combustie cu hidrogen (cum ar fi respectarea mediului, eficiența practic nelimitată, dimensiunea compactă și intensitatea energetică ridicată), acestea au și o serie de dezavantaje. Acestea includ, în primul rând, îmbătrânirea treptată a componentelor și dificultățile în stocarea hidrogenului. Oamenii de știință lucrează astăzi exact cum să elimine aceste deficiențe.
În prezent se propune creșterea eficienței pilelor de combustie prin modificarea compoziției electrolitului, a proprietăților electrodului catalizatorului și a geometriei sistemului (care asigură alimentarea cu gaze combustibile la punctul dorit și reduce efectele secundare). Pentru a rezolva problema stocării hidrogenului gazos, se folosesc materiale care conțin platină, pentru saturarea cărora, de exemplu, membrane de grafen.
Ca rezultat, este posibilă creșterea stabilității celulei de combustibil și a duratei de viață a componentelor sale individuale. Acum, coeficientul de conversie a energiei chimice în energie electrică în astfel de elemente ajunge la 80 la sută, iar în anumite condiții poate fi și mai mare.
Perspectivele enorme ale energiei cu hidrogen sunt asociate cu posibilitatea combinării pilelor de combustie în baterii întregi, transformându-le în generatoare electrice de mare putere. Deja, generatoarele electrice care funcționează pe pile de combustibil cu hidrogen au o putere de până la câteva sute de kilowați și sunt folosite ca surse de energie pentru vehicule.
Stocare electrochimică alternativă
Pe lângă sursele clasice de curent electrochimic, sisteme mai neobișnuite sunt folosite și ca dispozitive de stocare a energiei. Unul dintre astfel de sisteme este un supercondensator (sau ionistor) - un dispozitiv în care separarea și acumularea sarcinii are loc datorită formării unui strat dublu lângă o suprafață încărcată. La interfața electrod-electrolit într-un astfel de dispozitiv, ionii de semne diferite sunt aliniați în două straturi, așa-numitul „strat electric dublu”, formând un fel de condensator foarte subțire. Capacitatea unui astfel de condensator, adică cantitatea de încărcare acumulată, va fi determinată de suprafața specifică a materialului electrodului, prin urmare, este avantajos să luați materiale poroase cu o suprafață specifică maximă ca material pentru supercondensatoare.
Ionistorii sunt deținători de recorduri între sursele de curent chimic de încărcare-descărcare în ceea ce privește viteza de încărcare, ceea ce este un avantaj incontestabil al acestui tip de dispozitiv. Din păcate, ei dețin și recordul pentru viteza de descărcare. Densitatea de energie a ionistorilor este de opt ori mai mică în comparație cu bateriile cu plumb și de 25 de ori mai mică decât bateriile litiu-ion. Ionistorii clasici cu „dublu strat” nu folosesc o reacție electrochimică ca bază, iar termenul „condensator” este aplicat cel mai precis acestora. Cu toate acestea, în acele versiuni de ionistori care se bazează pe o reacție electrochimică și acumularea de sarcină se extinde în adâncimea electrodului, este posibil să se obțină timpi de descărcare mai mari, menținând în același timp o rată de încărcare rapidă. Eforturile dezvoltatorilor de supercondensatori vizează crearea de dispozitive hibride cu baterii care combină avantajele supercondensatorilor, în primul rând viteza mare de încărcare, și avantajele bateriilor - intensitate mare de energie și timp lung de descărcare. Imaginați-vă în viitorul apropiat un ionistor de baterie care se va încărca în câteva minute și va alimenta un laptop sau un smartphone pentru o zi sau mai mult!
În ciuda faptului că acum densitatea de energie a supercondensatorilor este încă de câteva ori mai mică decât densitatea de energie a bateriilor, aceștia sunt utilizați în electronice de larg consum și pentru motoarele diferitelor vehicule, inclusiv cele mai multe.
* * *
Astfel, astăzi există un număr mare de dispozitive electrochimice, fiecare dintre ele promițătoare pentru aplicațiile sale specifice. Pentru a îmbunătăți eficiența acestor dispozitive, oamenii de știință trebuie să rezolve o serie de probleme de natură atât fundamentală, cât și tehnologică. Cele mai multe dintre aceste sarcini sunt realizate în cadrul unuia dintre proiectele inovatoare de la Universitatea Federală Ural, așa că l-am întrebat pe Maxim Ananyev, directorul Institutului de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, profesor al Departamentului de Tehnologie de Producție Electrochimică al Institutului de Tehnologie Chimică al Universității Federale Ural, pentru a vorbi despre planurile și perspectivele imediate pentru dezvoltarea pilelor de combustibil moderne.
N+1: Există alternative la cele mai populare baterii litiu-ion de așteptat în viitorul apropiat?
Maxim Ananyev: Eforturile moderne ale dezvoltatorilor de baterii vizează înlocuirea tipului de purtător de încărcare din electrolit de la litiu la sodiu, potasiu și aluminiu. Ca urmare a înlocuirii litiului, va fi posibilă reducerea costului bateriei, deși caracteristicile de greutate și dimensiune vor crește proporțional. Cu alte cuvinte, cu aceleași caracteristici electrice, o baterie cu ioni de sodiu va fi mai mare și mai grea în comparație cu o baterie cu ioni de litiu.
În plus, unul dintre domeniile de dezvoltare promițătoare pentru îmbunătățirea bateriilor este crearea de surse de energie chimică hibridă bazate pe combinarea bateriilor cu ioni metalici cu un electrod de aer, ca în pilele de combustibil. În general, direcția creării sistemelor hibride, așa cum s-a arătat deja cu exemplul supercondensatorilor, se pare că în viitorul apropiat va face posibilă găsirea pe piață a surselor de energie chimică cu caracteristici ridicate de consumator.
Universitatea Federală Ural, împreună cu parteneri academici și industriali din Rusia și din lume, implementează astăzi șase mega-proiecte care se concentrează pe domenii inovatoare ale cercetării științifice. Unul dintre astfel de proiecte este „Tehnologii avansate de energie electrochimică de la proiectarea chimică a materialelor noi până la dispozitive electrochimice de nouă generație pentru conservarea și conversia energiei”.
Un grup de oameni de știință din unitatea academică strategică (SAE) a Școlii de Științe Naturale și Matematică UrFU, care include Maxim Ananyev, este implicat în proiectarea și dezvoltarea de noi materiale și tehnologii, inclusiv celule de combustie, celule electrolitice, metal-grafen. baterii, sisteme electrochimice de stocare a energiei și supercondensatoare.
Cercetarea și activitatea științifică se desfășoară în colaborare constantă cu Institutul de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe și cu sprijinul partenerilor.
Ce celule de combustie sunt în curs de dezvoltare și au cel mai mare potențial?
Unul dintre cele mai promițătoare tipuri de celule de combustibil sunt elementele protoni-ceramice. Acestea au avantaje față de pilele de combustibil polimerice cu membrană schimbătoare de protoni și elemente de oxid solid, deoarece pot funcționa cu o alimentare directă cu hidrocarburi. Acest lucru simplifică semnificativ proiectarea unei centrale electrice bazată pe celule de combustie proton-ceramice și sistemul de control și, prin urmare, crește fiabilitatea operațională. Este adevărat, acest tip de pile de combustie este în prezent mai puțin dezvoltate din punct de vedere istoric, dar cercetările științifice moderne ne permit să sperăm în potențialul ridicat al acestei tehnologii în viitor.
Ce probleme legate de celulele de combustibil sunt abordate în prezent la Universitatea Federală Ural?
Acum, oamenii de știință de la UrFU, împreună cu Institutul de Electrochimie la Temperatură Înaltă (IVTE) al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, lucrează la crearea de dispozitive electrochimice extrem de eficiente și generatoare de energie autonome pentru aplicații în energia distribuită. Crearea centralelor electrice pentru energie distribuită presupune inițial dezvoltarea unor sisteme hibride bazate pe un generator de energie electrică și un dispozitiv de stocare, care sunt baterii. Totodata, pila de combustie functioneaza constant, asigurand sarcina in orele de varf, iar in mod inactiv incarca bateria, care poate actiona ea insasi ca rezerva atat in cazul consumului mare de energie cat si in situatii de urgenta.
Cele mai mari succese ale chimiștilor UrFU și IVTE au fost obținute în dezvoltarea pilelor de combustibil cu oxid solid și protoni-ceramice. Din 2016, în Urali, împreună cu Corporația de Stat Rosatom, a fost creată prima producție din Rusia de centrale electrice pe bază de celule de combustibil cu oxid solid. Dezvoltarea oamenilor de știință din Ural a trecut deja testele „la scară completă” la stația de protecție catodică a gazoductului de la locul experimental al Uraltransgaz LLC. Centrala electrică cu o putere nominală de 1,5 kilowați a funcționat mai mult de 10 mii de ore și a arătat potențialul ridicat de utilizare a unor astfel de dispozitive.
În cadrul laboratorului comun UrFU și IVTE, este în curs de dezvoltare de dispozitive electrochimice bazate pe o membrană ceramică conducătoare de protoni. Acest lucru va face posibilă, în viitorul apropiat, reducerea temperaturilor de funcționare a pilelor de combustie cu oxid solid de la 900 la 500 de grade Celsius și abandonarea reformării preliminare a combustibilului cu hidrocarburi, creând astfel generatoare electrochimice rentabile, capabile să funcționeze în condiții de a dezvoltat infrastructura de alimentare cu gaze în Rusia.
Alexandru Dubov
