Mașina alimentată cu apă ar putea 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 hidrogenul în timp ce dizolva metalele în acizi diluați. Prima pilă de combustibil cu hidrogen a fost inventată încă din 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. Pila de combustibil este formată dintr-un catod, electrozi și un anod. Hidrogenul este alimentat la anod, unde este împărțit în protoni și electroni. Protonii și electronii au rute diferite către catod. Protonii călătoresc prin electrod către catod, iar electronii călătoresc 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 atunci când funcționează 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 alimentat direct la catod. De acolo, hidrogenul și oxigenul pot fi extrase și stocate. În perioadele în care nu este necesară producerea de energie electrică, gazul acumulat poate fi scos din depozit 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 s-a datorat tipului de material care a fost folosit în construcție, și nu hidrogenului 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 în rezervorul de combustibil al unei mașini.

Cât costă pilele moderne de combustibil cu hidrogen?? Companiile oferă în prezent sisteme de combustibil cu hidrogen pentru a produce energie pentru aproximativ 3.000 USD per kilowatt. Cercetările de piață 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 combustie, dar producătorii explorează modalități de a aduce prețul la un nivel comparabil. În unele zone îndepărtate, unde nu există linii electrice, utilizarea hidrogenului ca combustibil sau sursă de energie autonomă la domiciliu poate fi mai economică acum decât, de exemplu, construirea infrastructurii pentru transportatorii de energie tradiționali.

De ce pilele de combustibil cu hidrogen nu sunt încă utilizate pe scară largă? În prezent, costul lor ridicat este principala problemă pentru distribuția 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.

Fabricarea, asamblarea, testarea și testarea celulelor/pilelor de combustibil (hidrogen).
Fabricat în fabrici din SUA și Canada

Pile/celule de combustibil (hidrogen).

Compania Intech GmbH / LLC Intech GmbH se află pe piața serviciilor de inginerie din anul 1997, oficială de mulți ani a diverselor echipamente industriale, vă aduce în atenție diferite pile/pile de combustibil (hidrogen).

O celulă de combustibil este

Beneficiile celulelor/pilelor de combustie

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

O celulă de combustibil este similară cu o baterie prin faptul că generează curent continuu printr-o reacție chimică. Pila de combustibil include un anod, un catod și un electrolit. Cu toate acestea, spre deosebire de baterii, pilele/pilele de combustie nu pot stoca energie electrică, nu se descarcă și nu necesită reîncărcare a energiei electrice. Pilele/pilele de combustie pot genera în mod continuu energie electrică atâta timp cât au o sursă de combustibil și aer.

Spre deosebire de alte generatoare de energie, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, ulei etc., pilele/pilele de combustie nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele/pilele de combustie generează electricitate printr-o reacție electrochimică silentioasă. O altă caracteristică a celulelor/pilelor 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 produse emise în timpul funcționării sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu este emisă deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Pilele/pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Istoria dezvoltării celulelor de combustie/pilele

În anii 1950 și 1960, una dintre cele mai mari provocări pentru celulele de combustibil a luat naștere din nevoia Administrației Naționale de Aeronautică și Spațiu (NASA) de surse de energie pentru misiunile spațiale de lungă durată. Celula/celula alcalină de la NASA utilizează hidrogen și oxigen ca combustibil, combinându-le într-o reacție electrochimică. Rezultatele sunt trei produse secundare de reacție utile în zborurile spațiale - electricitate pentru alimentarea navei spațiale, apă pentru sistemele de băut și răcire și căldură pentru a menține astronauții cald.

Descoperirea pilelor de combustie datează de la începutul secolului al XIX-lea. Prima dovadă a efectului pilelor de combustibil a fost obținută în 1838.

La sfârșitul anilor 1930, au început lucrările la pile de combustibil alcaline, iar până în 1939 a fost construită o celulă care folosea electrozi placați cu nichel de înaltă presiune. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, au fost dezvoltate pile/pile de combustie pentru submarinele marinei britanice, iar în 1958 a fost introdus un ansamblu de combustibil format din pile/pile de combustie alcaline cu un diametru de puțin peste 25 cm.

Dobânda a crescut în anii 1950 și 1960 și, de asemenea, în anii 1980, când lumea industrială a cunoscut o penurie de păcură. În aceeași perioadă, țările lumii au devenit și ele preocupate de problema poluării aerului și au luat în considerare modalități de a genera energie electrică ecologică. În prezent, tehnologia celulelor de combustie/pilei este în curs de dezvoltare rapidă.

Cum funcționează celulele/pilele de combustibil

Pilele/pilele de combustie generează electricitate și căldură printr-o reacție electrochimică în curs de desfășurare folosind un electrolit, un catod și un anod.

Anodul și catodul sunt separate de un electrolit care conduce protonii. După ce hidrogenul intră în anod și oxigenul intră în catod, începe o reacție chimică, în urma căreia se generează curent electric, căldură și apă.

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

Mai jos este reacția corespunzătoare:

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

Tipuri și varietate de celule de combustibil/pile

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

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

Pile de combustie/pile pe carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie cu electroliți de carbonat topit sunt pile de combustie la temperaturi înalte. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără un procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din combustibili de proces și alte surse.

Funcționarea RCFC este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit 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 a ionilor 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 un conductor pentru ionii de carbonat (CO 3 2-). Acești ioni trec de la catod la anod unde se combină cu hidrogenul pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

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

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustie cu electroliți cu carbonat topit au anumite avantaje. La temperaturi ridicate, gazul natural este reformat intern, eliminând necesitatea unui procesor de combustibil. În plus, avantajele includ capacitatea de a utiliza materiale standard de construcție, cum ar fi tabla de oțel inoxidabil și catalizatorul de nichel pe electrozi. Căldura reziduală poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune pentru diverse aplicații industriale și comerciale.

Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au și avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult pentru a ajunge la condiții optime de funcționare, iar sistemul reacționează mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea sistemelor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea celulei de combustie de către monoxidul de carbon.

Pilele de combustibil cu carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 3,0 MW sunt produse industrial. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 110 MW.

Pile de combustie/pile pe bază de acid fosforic (PFC)

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) au fost primele pile de combustie destinate utilizării comerciale.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H 3 PO 4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, din acest motiv aceste pile de combustie 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, în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii trec prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt direcționați de-a lungul unui circuit electric extern și este generat un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

Reacția la anod: 2H 2 => 4H ++ 4e -
Reacția la catod: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

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

Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de până la 500 kW sunt produse industrial. Instalațiile de 11 MW au trecut testele relevante. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

Pile/pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate varia de la 600°C la 1000°C, ceea ce permite utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără o pre-tratare specială. Pentru a face față acestor temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe bază de ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O 2-).

Un electrolit solid asigură o tranziție gazoasă ermetică 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 (O 2-). La catod, moleculele de oxigen sunt separate din aer într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt direcționați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacția la anod: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reacția la catod: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

Pilele de combustie cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600°C - 1000°C), rezultând o perioadă lungă de timp pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la schimbările în consumul de energie. La astfel de temperaturi de operare ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri din gazeificarea cărbunelui sau gaze reziduale și altele asemenea. De asemenea, această pilă de combustie este excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Module produse industrial cu o putere electrică de ieșire de 100 kW.

Pile de combustie/pile cu oxidare directă a metanolului (DOMTE)

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

Structura pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele de combustie cu membrană de schimb de protoni (MOFEC), adică. un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Cu toate acestea, metanolul lichid (CH 3 OH) este oxidat în prezența apei la anod, eliberând CO 2 , ioni de hidrogen și electroni, care sunt ghidați printr-un circuit electric extern și se generează un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

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

Avantajul acestui tip de pile de combustie este dimensiunile lor mici, datorate folosirii combustibilului lichid, si absenta necesitatii folosirii unui convertor.

Pile/pile de combustibil alcaline (AFC)

Pilele de combustie alcaline sunt printre 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, adică o soluție apoasă de hidroxid de potasiu, conținută într-o matrice poroasă, stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustie, care variază de la 65°C la 220°C. Purtătorul de sarcină într-un SFC este un ion hidroxid (OH-) care se deplasează de la catod la anod unde reacţionează cu hidrogenul pentru a produce apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxid acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce energie electrică și, ca produs secundar, căldură:

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

Avantajul SFC este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de fabricat, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. SCFC funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente celule de combustibil - astfel de caracteristici pot contribui, respectiv, la o generare mai rapidă a energiei și, respectiv, la o eficiență ridicată a combustibilului.

Una dintre caracteristicile SHTE este sensibilitatea sa ridicată la CO 2 , care poate fi conținut în combustibil sau aer. CO 2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SFC este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea trebuie să funcționeze cu hidrogen și oxigen pur. Mai mult, molecule precum CO, H2O și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustibil și chiar combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SFC.

Pile/pile de combustibil cu electrolit polimeric (PETE)

În cazul pilelor de combustie cu electrolit polimeric, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care există o conducere a ionilor de apă (H 2 O + (proton, roșu) atașat de molecula de apă). Moleculele de apă prezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și pe electrozii de evacuare, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100°C.

Pile/pile de combustibil acid solid (SCFC)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO 4 ) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 100-300°C. Rotația anionilor SO 4 2-oxi permite protonilor (roșii) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o pilă de combustie cu acid solid este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi strâns comprimați pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, păstrând capacitatea numeroaselor contacte între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al celulei), electrolit și electrozi.

Centralele municipale de energie termică și electrice inovatoare, care economisesc energie, sunt construite în mod obișnuit pe celule de combustibil cu oxid solid (SOFC), celule de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC), celule de combustibil cu acid fosforic (PCFC), celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MPFC) și pile de combustibil alcaline ( APFC-uri). Acestea au de obicei următoarele caracteristici:

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) ar trebui recunoscute ca fiind cele mai potrivite, care:

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

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de lucru	Eficiență de generare a energiei	Tipul combustibilului	Zona de aplicare
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalatii medii si mari
FKTE	100–220°C	35-40%	hidrogen pur	Instalații mari
MOPTE	30-100°C	35-50%	hidrogen pur	Instalații mici
SOFC	450–1000°C	45-70%	Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi	Instalatii mici, medii si mari
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Portabil
SHTE	50–200°C	40-70%	hidrogen pur	cercetare spatiala
PETE	30-100°C	35-50%	hidrogen pur	Instalații mici

Deoarece centralele termice mici pot fi conectate la o rețea convențională de alimentare cu gaz, celulele de combustie nu necesită un sistem separat de alimentare cu hidrogen. La utilizarea centralelor termice mici pe bază de celule de combustie cu oxid solid, căldura generată poate fi integrată în schimbătoare de căldură pentru încălzirea apei și aerului de ventilație, crescând eficiența generală a sistemului. Această tehnologie inovatoare este cea mai potrivită pentru generarea eficientă de energie, fără a fi nevoie de infrastructură costisitoare și de integrare complexă a instrumentelor.

Aplicații pentru pile de combustie/pile de combustie

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de telecomunicații

Odată cu răspândirea rapidă a sistemelor de comunicații fără fir în întreaga lume și cu beneficiile sociale și economice în creștere ale tehnologiei de telefonie mobilă, nevoia de energie de rezervă fiabilă și rentabilă a devenit critică. Pierderile de rețea pe tot parcursul anului din cauza vremii nefavorabile, dezastrelor naturale sau capacității limitate ale rețelei reprezintă o provocare constantă pentru operatorii rețelei.

Soluțiile tradiționale de rezervă de energie pentru telecomunicații includ baterii (celula bateriei plumb-acid reglată prin supapă) pentru energie de rezervă pe termen scurt și generatoare diesel și propan pentru putere de rezervă mai lungă. Bateriile sunt o sursă relativ ieftină de energie de rezervă pentru 1 până la 2 ore. Cu toate acestea, bateriile nu sunt potrivite pentru perioade de rezervă mai lungi, deoarece sunt costisitoare de întreținut, devin nefiabile după perioade lungi de utilizare, sunt sensibile la temperaturi și sunt periculoase pentru mediu după eliminare. Generatoarele diesel și propan pot furniza energie de rezervă continuă. Cu toate acestea, generatoarele pot fi nesigure, necesită întreținere extinsă și eliberează niveluri ridicate de poluanți și gaze cu efect de seră în atmosferă.

Pentru a elimina limitările soluțiilor tradiționale de alimentare de rezervă, a fost dezvoltată o tehnologie inovatoare cu celule de combustibil ecologice. Pilele de combustie sunt fiabile, silențioase, conțin mai puține piese în mișcare decât un generator, au o gamă de temperatură de funcționare mai largă decât o baterie de la -40°C la +50°C și, prin urmare, asigură un nivel extrem de ridicat de economii de energie. În plus, costul pe durata de viață al unei astfel de centrale este mai mic decât cel al unui generator. Costul mai mic pe celulă de combustie este rezultatul unei singure vizite de întreținere pe an și a unei productivități semnificativ mai mari a fabricii. La urma urmei, pila de combustibil este o soluție tehnologică ecologică, cu impact minim asupra mediului.

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

• FIABILITATE– Puține piese în mișcare și nicio descărcare de așteptare
• ECONOMIE DE ENERGIE
• TĂCERE– nivel scăzut de zgomot
• STABILITATE– domeniu de operare de la -40°C la +50°C
• ADAPTABILITATE– instalare exterioară și interioară (container/container de protecție)
• DE MARE PUTERE– până la 15 kW
• NEVOIE MICĂ DE ÎNTREȚINERE– întreținere minimă anuală
• ECONOMIE- cost total de proprietate atractiv
• ENERGIE VERDE– emisii reduse cu impact minim asupra mediului

Sistemul detectează tensiunea magistralei DC tot timpul și acceptă fără probleme sarcinile critice dacă tensiunea magistralei DC scade sub un punct de referință definit de utilizator. Sistemul funcționează cu hidrogen, care intră în stiva de celule de combustie într-unul din două moduri - fie dintr-o sursă comercială de hidrogen, fie dintr-un combustibil lichid de metanol și apă, folosind un sistem reformator la bord.

Electricitatea este produsă de stiva de celule de combustibil sub formă de curent continuu. Puterea de curent continuu este trimisă la un convertor care convertește puterea de curent continuu nereglată din stiva de celule de combustibil în putere de curent continuu reglată de înaltă calitate pentru sarcinile necesare. O instalație de pile de combustie poate furniza energie de rezervă timp de mai multe zile, deoarece durata este limitată doar de cantitatea de combustibil de hidrogen sau metanol/apă disponibilă în stoc.

Pilele de combustie oferă o eficiență energetică superioară, o fiabilitate sporită a sistemului, o performanță mai previzibilă într-o gamă largă de climate și o durată de viață fiabilă în comparație cu pachetele de baterii plumb-acid reglementate de supape standard din industrie. Costurile ciclului de viață sunt, de asemenea, mai mici datorită cerințelor semnificativ mai mici de întreținere și înlocuire. Pilele de combustie oferă utilizatorului final beneficii de mediu, deoarece costurile de eliminare și riscurile de răspundere asociate cu celulele cu plumb acid sunt o preocupare tot mai mare.

Performanța bateriilor electrice poate fi afectată negativ de o gamă largă de factori, cum ar fi nivelul de încărcare, temperatura, ciclurile, durata de viață și alte variabile. Energia furnizată va varia în funcție de acești factori și nu este ușor de prezis. Performanța unei celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) este relativ neafectată de acești factori și poate furniza o putere critică atâta timp cât combustibilul este disponibil. Previzibilitatea sporită este un beneficiu important atunci când treceți la celulele de combustie pentru aplicații critice de alimentare de rezervă.

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

Combustibilul folosit pentru a conduce convertizorul de combustibil cu durată extinsă este un amestec de metanol și apă. Metanolul este un combustibil comercial disponibil pe scară largă, care are în prezent numeroase utilizări, inclusiv spălarea parbrizului, sticlele de plastic, aditivii pentru motor și vopselele în emulsie. Metanolul este ușor de transportat, miscibil cu apa, are o bună biodegradabilitate și nu conține sulf. Are un punct de îngheț scăzut (-71°C) și nu se descompune în timpul depozitării îndelungate.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de comunicații

Rețelele de securitate necesită soluții de alimentare de rezervă fiabile, care pot dura ore sau zile în caz de urgență, dacă rețeaua de energie devine indisponibilă.

Cu puține piese în mișcare și fără o reducere a puterii de așteptare, tehnologia inovatoare cu celule de combustibil oferă o soluție atractivă în comparație cu sistemele de alimentare de rezervă disponibile în prezent.

Motivul cel mai convingător pentru utilizarea tehnologiei celulelor de combustie în rețelele de comunicații este fiabilitatea generală și securitatea crescute. În timpul unor evenimente precum întreruperile de curent, cutremure, furtuni și uragane, este important ca sistemele să continue să funcționeze și să aibă o sursă de alimentare de rezervă fiabilă pentru o perioadă lungă de timp, indiferent de temperatura sau vechimea sistemului de alimentare de rezervă.

Gama de surse de alimentare cu celule de combustie este ideală pentru susținerea rețelelor de comunicații securizate. Datorită principiilor lor de design de economisire a energiei, acestea oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă, cu o durată extinsă (până la câteva zile) pentru utilizare în intervalul de putere de la 250 W la 15 kW.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de date

Alimentarea de încredere pentru rețelele de date, cum ar fi rețelele de date de mare viteză și coloana vertebrală cu fibră optică, este de o importanță cheie în întreaga lume. Informațiile transmise prin astfel de rețele conțin date critice pentru instituții precum bănci, companii aeriene sau centre medicale. O întrerupere a curentului în astfel de rețele nu numai că reprezintă un pericol pentru informațiile transmise, ci și, de regulă, duce la pierderi financiare semnificative. Instalațiile fiabile și inovatoare de celule de combustie care oferă energie de așteptare oferă fiabilitatea de care aveți nevoie pentru a asigura o putere neîntreruptă.

Unitățile de celule de combustie care funcționează pe un amestec de combustibil lichid de metanol și apă oferă o sursă de alimentare de rezervă fiabilă, cu o durată extinsă, de până la câteva zile. În plus, aceste unități prezintă cerințe de întreținere semnificativ reduse în comparație cu generatoarele și bateriile, necesitând doar o vizită de întreținere pe an.

Caracteristici tipice de aplicare pentru utilizarea instalațiilor de celule de combustie în rețele de date:

• Aplicații cu puteri de intrare de la 100 W la 15 kW
• Aplicații cu cerințe de viață a bateriei > 4 ore
• Repetoare în sistemele cu fibră optică (ierarhia sistemelor digitale sincrone, internet de mare viteză, voce peste IP…)
• Noduri de rețea de transmisie de date de mare viteză
• Noduri de transmisie WiMAX

Instalațiile de așteptare cu pile de combustibil oferă numeroase avantaje pentru infrastructurile critice de rețea de date față de generatoarele tradiționale de baterii sau diesel, permițând o utilizare sporită la fața locului:

1. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema stocării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.
2. Datorită funcționării lor silențioase, greutății reduse, rezistenței la schimbările de temperatură și funcționării practic fără vibrații, pilele de combustibil pot fi instalate în aer liber, în spații industriale/containere sau pe acoperișuri.
3. Pregătirile la fața locului pentru utilizarea sistemului sunt rapide și economice, iar costul de funcționare este scăzut.
4. Combustibilul este biodegradabil și reprezintă o soluție ecologică pentru mediul urban.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de securitate

Cele mai atent proiectate sisteme de securitate și comunicații ale clădirilor sunt la fel de fiabile ca și puterea care le alimentează. În timp ce majoritatea sistemelor includ un tip de sistem de alimentare neîntreruptibil de rezervă pentru pierderile de energie pe termen scurt, ele nu asigură întreruperile mai lungi de curent care pot apărea după dezastre naturale sau atacuri teroriste. Aceasta ar putea fi o problemă critică pentru multe agenții corporative și guvernamentale.

Sistemele vitale precum sistemele de monitorizare CCTV și de control al accesului (cititoare de cărți de identitate, dispozitive de închidere a ușilor, tehnologie de identificare biometrică etc.), sisteme automate de alarmă și stingere a incendiilor, sisteme de control al lifturilor și rețele de telecomunicații, sunt în pericol în absența unei sursă alternativă fiabilă de alimentare continuă cu energie.

Generatoarele diesel sunt zgomotoase, greu de localizat și sunt bine conștiente de problemele de fiabilitate și întreținere ale acestora. În schimb, o instalație de rezervă pentru celule de combustibil este silențioasă, fiabilă, are emisii zero sau foarte scăzute și este ușor de instalat pe acoperiș sau în afara unei clădiri. Nu se descarcă și nu pierde energie în modul de așteptare. Asigură funcționarea continuă a sistemelor critice, chiar și după ce instituția își încetează activitatea și clădirea este abandonată de oameni.

Instalațiile inovatoare de celule de combustibil protejează investițiile costisitoare în aplicații critice. Acestea oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă și de lungă durată (până la multe zile) pentru utilizare în intervalul de putere de la 250 W la 15 kW, combinată cu numeroase caracteristici de neegalat și, mai ales, un nivel ridicat de economisire a energiei.

Unitățile de rezervă pentru alimentarea cu pile de combustibil oferă numeroase avantaje pentru aplicații critice, cum ar fi sistemele de securitate și managementul clădirilor, față de generatoarele tradiționale de baterii sau diesel. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema stocării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în încălzirea locuințelor și generarea de energie electrică

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) sunt folosite pentru a construi centrale termice fiabile, eficiente din punct de vedere energetic și fără emisii, pentru a genera electricitate și căldură din gaze naturale și combustibili regenerabili disponibili pe scară largă. Aceste unități inovatoare sunt utilizate pe o mare varietate de piețe, de la generarea de energie domestică până la alimentarea cu energie până la zone îndepărtate, precum și surse auxiliare de energie.

Aceste unități de economisire a energiei produc căldură pentru încălzirea spațiului și a apei, precum și energie electrică care poate fi utilizată în casă și reintrodusă în rețeaua electrică. Sursele distribuite de generare a energiei pot include celule fotovoltaice (solare) și micro turbine eoliene. Aceste tehnologii sunt vizibile și cunoscute pe scară largă, dar funcționarea lor depinde de condițiile meteorologice și nu pot genera în mod constant energie electrică pe tot parcursul anului. În ceea ce privește puterea, centralele termice pot varia de la mai puțin de 1 kW la 6 MW și mai mult.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de distribuție

Centralele termice mici sunt proiectate să funcționeze într-o rețea de generare a energiei distribuite constând dintr-un număr mare de grupuri electrogene mici în loc de o centrală electrică centralizată.

Figura de mai jos arată pierderea eficienței de generare a energiei atunci când aceasta este generată de centralele de cogenerare și transmisă la locuințe prin rețelele tradiționale de transport utilizate în prezent. Pierderile de eficiență în generarea districtuală includ pierderi de la centrala electrică, de transport de joasă și înaltă tensiune și pierderi de distribuție.

În figura sunt prezentate rezultatele integrării centralelor termice mici: electricitatea este generată cu o eficiență de generare de până la 60% la punctul de utilizare. În plus, gospodăria poate folosi căldura generată de celulele de combustie pentru încălzirea apei și a spațiului, ceea ce crește eficiența globală a procesării energiei combustibilului și îmbunătățește economiile de energie.

Utilizarea pilelor de combustie pentru a proteja mediul - Utilizarea gazelor petroliere asociate

Una dintre cele mai importante sarcini din industria petrolului este utilizarea gazelor petroliere asociate. Metodele existente de utilizare a gazelor petroliere asociate prezintă o mulțime de dezavantaje, principalul fiind că nu sunt viabile din punct de vedere economic. Gazul petrolier asociat este ars, ceea ce dăunează mult mediului și sănătății umane.

Centralele inovatoare de căldură și energie cu celule de combustie care utilizează gazul petrolier asociat ca combustibil deschid calea către o soluție radicală și rentabilă la problemele utilizării gazului petrolier asociat.

1. Unul dintre principalele avantaje ale instalațiilor de celule de combustie este că pot funcționa în mod fiabil și durabil pe gazul petrolier asociat cu compoziția variabilă. Datorită reacției chimice fără flacără care stă la baza funcționării celulei de combustie, o reducere a procentului de metan, de exemplu, provoacă doar o reducere corespunzătoare a puterii de ieșire.
2. Flexibilitate în raport cu sarcina electrică a consumatorilor, diferențial, supratensiune de sarcină.
3. Pentru instalarea și racordarea centralelor termice pe pile de combustie, implementarea acestora nu necesită cheltuieli de capital, deoarece Unitățile sunt ușor de montat pe locuri nepregătite în apropierea câmpurilor, sunt ușor de operat, fiabile și eficiente.
4. Automatizarea ridicată și telecomanda modernă nu necesită prezența constantă a personalului la fabrică.
5. Simplitatea și perfecțiunea tehnică a designului: absența pieselor în mișcare, a frecării, a sistemelor de lubrifiere oferă beneficii economice semnificative din funcționarea instalațiilor de celule de combustie.
6. Consum de apă: niciunul la temperaturi ambientale de până la +30 °C și neglijabil la temperaturi mai ridicate.
7. Ieșire apă: niciuna.
8. În plus, centralele termice cu celule de combustibil nu fac zgomot, nu vibrează,

Pilele de combustie sunt o modalitate de a transforma electrochimic energia combustibilului cu hidrogen în electricitate, iar singurul produs secundar al acestui proces este apa.

Combustibilul cu hidrogen utilizat în prezent în celulele de combustie este de obicei derivat din reformarea cu abur a metanului (adică, transformarea hidrocarburilor cu abur și căldură în metan), deși poate exista o abordare mai ecologică, cum ar fi electroliza apei folosind energia solară.

Principalele componente ale unei celule de combustibil sunt:

• un anod în care hidrogenul este oxidat;
• catod, unde oxigenul este redus;
• o membrană de electrolit polimeric prin care sunt transportați protoni sau ionii de hidroxid (în funcție de mediu) - nu permite trecerea hidrogenului și oxigenului;
• câmpuri de flux de oxigen și hidrogen, care sunt responsabile pentru livrarea acestor gaze către electrod.

Pentru a alimenta, de exemplu, o mașină, mai multe celule de combustibil sunt asamblate într-o baterie, iar cantitatea de energie furnizată de această baterie depinde de suprafața totală a electrozilor și de numărul de celule din ea. Energia într-o pilă de combustibil este generată după cum urmează: hidrogenul este oxidat la anod, iar electronii din acesta sunt trimiși la catod, unde oxigenul este redus. Electronii obținuți din oxidarea hidrogenului la anod au un potențial chimic mai mare decât electronii care reduc oxigenul la catod. Această diferență între potențialele chimice ale electronilor face posibilă extragerea energiei din celulele de combustie.

Istoria creației

Istoria pilelor de combustie datează din anii 1930, când prima pilă de combustibil cu hidrogen a fost proiectată de William R. Grove. Această celulă folosea acid sulfuric ca electrolit. Grove a încercat să depună cupru dintr-o soluție apoasă de sulfat de cupru pe o suprafață de fier. El a observat că sub acțiunea unui curent de electroni, apa se descompune în hidrogen și oxigen. După această descoperire, Grove și Christian Schoenbein, chimist la Universitatea din Basel (Elveția), care a lucrat în paralel cu acesta, au demonstrat simultan în 1839 posibilitatea de a genera energie într-o pilă de combustibil hidrogen-oxigen folosind un electrolit acid. Aceste încercări timpurii, deși de natură destul de primitivă, au atras atenția mai multor dintre contemporanii lor, inclusiv lui Michael Faraday.

Cercetările privind celulele de combustibil au continuat, iar în anii 1930 F.T. Bacon a introdus o nouă componentă într-o pile de combustie alcalină (unul dintre tipurile de celule de combustibil) - o membrană schimbătoare de ioni pentru a facilita transportul ionilor de hidroxid.

Unul dintre cele mai faimoase exemple istorice de utilizare a pilelor de combustibil alcaline este utilizarea lor ca principală sursă de energie în timpul zborurilor spațiale în cadrul programului Apollo.

Au fost aleși de NASA pentru durabilitatea și stabilitatea lor tehnică. Ei au folosit o membrană conducătoare de hidroxid care era superioară ca eficiență față de sora sa de schimb de protoni.

Timp de aproape două secole de la crearea primului prototip de pile de combustibil, s-a depus multă muncă pentru a le îmbunătăți. În general, energia finală obținută dintr-o pilă de combustie depinde de cinetica reacției redox, de rezistența internă a celulei și de transferul de masă al gazelor și ionilor de reacție către componentele active catalitic. De-a lungul anilor, ideii originale au fost aduse multe îmbunătățiri, cum ar fi:

1) înlocuirea firelor de platină cu electrozi pe bază de carbon cu nanoparticule de platină; 2) invenția membranelor de înaltă conductivitate și selectivitate, precum Nafion, pentru a facilita transportul ionilor; 3) combinarea unui strat catalitic, de exemplu, nanoparticule de platină distribuite pe o bază de carbon, cu membrane schimbătoare de ioni, rezultând o unitate membrană-electrod cu o rezistență internă minimă; 4) utilizarea și optimizarea câmpurilor de curgere pentru a furniza hidrogen și oxigen la suprafața catalitică, în loc de a le dilua direct în soluție.

Acestea și alte îmbunătățiri au dus în cele din urmă la o tehnologie suficient de eficientă pentru a fi utilizată în vehicule precum Toyota Mirai.

Pile de combustie cu membrane schimbătoare de hidroxid

Universitatea din Delaware desfășoară cercetări privind dezvoltarea pilelor de combustie cu membrane de schimb de hidroxizi - HEMFC (pile de combustibil cu membrană de schimb de hidroxid). Pile de combustie cu membrane schimbătoare de hidroxid în loc de membrane de schimb de protoni - PEMFC (pile de combustibil cu membrană de schimb de protoni) - se confruntă mai puțin cu una dintre marile probleme ale PEMFC - problema stabilității catalizatorului, deoarece mult mai mulți catalizatori din metale de bază sunt stabili într-un mediu alcalin decât într-una acidă. Stabilitatea catalizatorilor în soluții alcaline este mai mare datorită faptului că dizolvarea metalelor eliberează mai multă energie la pH scăzut decât la pH ridicat. Cea mai mare parte a muncii din acest laborator este, de asemenea, dedicată dezvoltării de noi catalizatori anodici și catodici pentru reacțiile de oxidare a hidrogenului și de reducere a oxigenului pentru a le accelera și mai eficient. În plus, laboratorul dezvoltă noi membrane schimbătoare de hidroxid, deoarece conductivitatea și durabilitatea acestor membrane nu au fost încă îmbunătățite pentru a concura cu membranele schimbătoare de protoni.

Căutați noi catalizatori

Motivul pierderilor de supratensiune în reacția de reducere a oxigenului se explică prin relațiile la scară liniară dintre produșii intermediari ai acestei reacții. În mecanismul tradițional cu patru electroni al acestei reacții, oxigenul este redus secvențial, creând produse intermediare - OOH*, O* și OH*, pentru a forma în cele din urmă apă (H2O) pe suprafața catalitică. Deoarece energiile de adsorbție ale produselor intermediare pe un catalizator individual sunt foarte corelate între ele, nu s-a găsit încă niciun catalizator care, cel puțin în teorie, nu ar avea pierderi de supratensiune. Deși viteza acestei reacții este scăzută, schimbarea de la un mediu acid la un mediu alcalin, cum ar fi în HEMFC, nu o afectează prea mult. Cu toate acestea, viteza reacției de oxidare a hidrogenului este aproape înjumătățită, iar acest fapt motivează cercetările care vizează găsirea cauzei acestei scăderi și descoperirea de noi catalizatori.

Avantajele pilelor de combustibil

Spre deosebire de combustibilii cu hidrocarburi, pilele de combustie sunt mai mult, dacă nu perfect, ecologice și nu produc gaze cu efect de seră ca urmare a activităților lor. În plus, combustibilul lor (hidrogenul) este în principiu regenerabil, deoarece poate fi obținut prin hidroliza apei. Astfel, pilele de combustibil cu hidrogen în viitor promit să devină o parte integrală a procesului de producere a energiei, în care energia solară și eoliană este folosită pentru a produce combustibil cu hidrogen, care este apoi folosit într-o pilă de combustibil pentru a produce apă. Astfel, ciclul este închis și nu rămâne nicio amprentă de carbon.

Spre deosebire de bateriile reîncărcabile, pilele de combustibil au avantajul că nu trebuie reîncărcate - pot începe imediat să furnizeze energie de îndată ce este nevoie. Adică, dacă sunt aplicate, de exemplu, în domeniul vehiculelor, atunci aproape că nu vor exista modificări din partea consumatorului. Spre deosebire de energia solară și energia eoliană, pilele de combustibil pot produce energie în mod continuu și sunt mult mai puțin dependente de condițiile externe. La rândul său, energia geotermală este disponibilă doar în anumite zone geografice, în timp ce celulele de combustie din nou nu au această problemă.

Pilele de combustibil cu hidrogen sunt una dintre cele mai promițătoare surse de energie datorită portabilității și flexibilității lor în ceea ce privește scara.

Complexitatea stocării hidrogenului

Pe lângă problemele legate de deficiențele membranelor și catalizatorilor actuali, alte dificultăți tehnice pentru celulele de combustie sunt asociate cu stocarea și transportul combustibilului cu hidrogen. Hidrogenul are o energie specifică foarte scăzută pe unitate de volum (cantitatea de energie pe unitate de volum la o anumită temperatură și presiune) și, prin urmare, trebuie stocat la presiune foarte mare pentru a fi utilizat în vehicule. În caz contrar, dimensiunea recipientului pentru depozitarea cantității necesare de combustibil va fi imposibil de mare. Din cauza acestor limitări de stocare a hidrogenului, s-au făcut încercări de a găsi modalități de a produce hidrogen din altceva decât forma sa gazoasă, cum ar fi celulele de combustie cu hidrură metalică. Cu toate acestea, aplicațiile actuale de pile de combustie pentru consumatori, cum ar fi Toyota Mirai, folosesc hidrogen supercritic (hidrogen care se află la temperaturi peste 33 K și presiuni peste 13,3 atmosfere, adică peste valorile critice), iar aceasta este acum cea mai convenabilă opțiune.

Perspective ale regiunii

Din cauza dificultăților tehnice existente și a problemelor de obținere a hidrogenului din apă folosind energia solară, în viitorul apropiat, cercetările se vor concentra în principal pe găsirea de surse alternative de hidrogen. O idee populară este utilizarea amoniacului (nitrură de hidrogen) direct în celula de combustie în loc de hidrogen, sau a produce hidrogen din amoniac. Motivul pentru aceasta este că amoniacul este mai puțin solicitant în ceea ce privește presiunea, ceea ce îl face mai ușor de depozitat și de mutat. În plus, amoniacul este atractiv ca sursă de hidrogen, deoarece nu conține carbon. Acest lucru rezolvă problema otrăvirii catalizatorului din cauza CO2 din hidrogenul produs din metan.

În viitor, celulele de combustibil pot găsi aplicații largi în tehnologia vehiculelor și în generarea distribuită de energie, cum ar fi în zonele rezidențiale. În ciuda faptului că în momentul de față utilizarea pilelor de combustie ca sursă principală de energie necesită o mulțime de bani, dacă se găsesc catalizatori mai ieftini și mai eficienți, membrane stabile cu conductivitate ridicată și surse alternative de hidrogen, pilele de combustie cu hidrogen pot deveni extrem de ridicate. atractiv din punct de vedere economic.

O celulă de combustie este un dispozitiv de conversie a energiei electrochimice care 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 combustibil este foarte asemănătoare cu o baterie care poate fi încărcată și apoi folosită pentru a stoca energie electrică.
Inventatorul celulei de combustie este William R. Grove, care a inventat-o ​​în 1839. În această pile de combustie, o soluție de acid sulfuric a fost folosită ca electrolit, iar hidrogenul a fost folosit drept combustibil, care s-a combinat cu oxigenul într-un mediu oxidant. . De menționat că, până de curând, pilele de combustie erau folosite doar în laboratoare și pe nave spațiale.
În viitor, celulele de combustie vor putea concura cu multe alte sisteme de conversie a energiei (inclusiv turbinele cu gaz din centralele electrice), motoarele cu ardere internă din mașini și bateriile electrice din dispozitivele portabile. Motoarele cu ardere internă ard combustibil și folosesc presiunea creată de expansiunea gazelor de ardere pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile stochează energia electrică și apoi o transformă în energie chimică, care poate fi convertită înapoi în energie electrică dacă este necesar. Potenţial, celulele de combustie sunt foarte eficiente. În 1824, omul de știință francez Carnot a demonstrat că ciclurile de compresie-expansiune ale unui motor cu ardere internă nu pot asigura eficiența conversiei energiei termice (care este energia chimică a combustibilului de ardere) în energie mecanică peste 50%. O celulă de combustie nu are părți mobile (cel puțin nu în interiorul celulei în sine) și, prin urmare, nu respectă legea lui Carnot. Desigur, vor avea o eficiență de peste 50% și sunt deosebit de eficiente la sarcini mici. Astfel, vehiculele cu celule de combustibil sunt gata să fie (și s-au dovedit deja a fi) mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât vehiculele convenționale în condiții reale de conducere.
Celula de combustibil generează curent electric DC care poate fi folosit pentru a conduce un motor electric, corpuri de iluminat și alte sisteme electrice dintr-un vehicul. Există mai multe tipuri de celule de combustibil, care diferă în procesele chimice utilizate. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de tipul de electrolit pe care îl folosesc. Unele tipuri de celule de combustie sunt promițătoare pentru aplicațiile centralelor electrice, în timp ce altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru conducerea mașinilor.
Pila de combustibil alcalină este unul dintre cele mai timpurii elemente dezvoltate. Ele au fost folosite de programul spațial al SUA încă din anii 1960. Astfel de celule de combustibil sunt foarte susceptibile la contaminare și, prin urmare, necesită hidrogen și oxigen foarte pur. În plus, sunt foarte scumpe și, prin urmare, este puțin probabil ca acest tip de pile de combustibil să găsească o aplicație largă în mașini.
Pilele de combustie pe baza de acid fosforic pot fi folosite in instalatii stationare de putere redusa. Acestea funcționează la temperaturi destul de ridicate și, prin urmare, se încălzesc durează mult, ceea ce le face, de asemenea, ineficiente pentru utilizare în automobile.
Pilele de combustibil cu oxid solid sunt mai potrivite pentru generatoarele de energie staționare mari care ar putea furniza energie electrică fabricilor sau comunităților. Acest tip de pile de combustie funcționează la temperaturi foarte ridicate (aproximativ 1000 °C). Temperatura ridicată de funcționare creează anumite probleme, dar, pe de altă parte, există un avantaj că aburul produs de celula de combustie poate fi trimis la turbine pentru a genera mai multă energie electrică. În general, acest lucru îmbunătățește eficiența generală a sistemului.
Unul dintre cele mai promițătoare sisteme este celula de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni - POMFC (PEMFC - Protone Exchange Membrane Fuel Cell). În acest moment, acest tip de pile de combustie este cel mai promițător deoarece poate propulsa mașini, autobuze și alte vehicule.

Procese chimice într-o pilă de combustibil

Pilele de combustie folosesc un proces electrochimic pentru a combina hidrogenul cu oxigenul din aer. La fel ca bateriile, pilele de combustibil folosesc electrozi (conductori electrici solizi) într-un electrolit (un mediu conductiv electric). Când moleculele de hidrogen intră în contact cu electrodul negativ (anodul), acesta din urmă este separat în protoni și electroni. Protonii trec prin membrana schimbătoare de protoni (POM) către electrodul pozitiv (catodul) al celulei de combustie, producând electricitate. Există o combinație chimică de molecule de hidrogen și oxigen cu formarea apei, ca produs secundar al acestei reacții. Singurul tip de emisii de la o pile de combustibil sunt vaporii de apă.
Electricitatea produsă de celulele de combustie poate fi utilizată în grupul motopropulsor electric al vehiculului (format dintr-un convertor de putere electrică și un motor cu inducție AC) pentru a furniza energie mecanică pentru propulsarea vehiculului. Sarcina convertorului de putere este de a converti curentul continuu produs de celulele de combustibil în curent alternativ, care este utilizat de motorul de tracțiune al vehiculului.

Schema schematică a unei celule de combustibil cu o membrană schimbătoare de protoni:
1 - anod;
2 - membrana schimbătoare de protoni (REM);
3 - catalizator (roșu);
4 - catod

Celula de combustie cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC) utilizează una dintre cele mai simple reacții ale oricărei celule de combustibil.

Celulă de combustibil separată

Luați în considerare modul în care funcționează o celulă de combustibil. Anodul, polul negativ al celulei de combustibil, conduce electronii, care sunt eliberați de moleculele de hidrogen, astfel încât să poată fi utilizați într-un circuit electric extern (circuit). Pentru a face acest lucru, canalele sunt gravate în el, distribuind hidrogenul uniform pe întreaga suprafață a catalizatorului. Catodul (polul pozitiv al celulei de combustibil) are canale gravate care distribuie oxigenul pe suprafața catalizatorului. De asemenea, conduce electronii înapoi de la circuitul exterior (circuit) la catalizator, unde se pot combina cu ioni de hidrogen și oxigen pentru a forma apă. Electrolitul este o membrană schimbătoare de protoni. Acesta este un material special, similar cu plasticul obișnuit, dar cu capacitatea de a trece ionii încărcați pozitiv și de a bloca trecerea electronilor.
Un catalizator este un material special care facilitează reacția dintre oxigen și hidrogen. Catalizatorul este de obicei realizat din pulbere de platină depusă într-un strat foarte subțire pe hârtie de carbon sau pânză. Catalizatorul trebuie să fie aspru și poros, astfel încât suprafața sa să poată intra cât mai mult posibil în contact cu hidrogenul și oxigenul. Partea acoperită cu platină a catalizatorului se află în fața membranei schimbătoare de protoni (POM).
Hidrogenul gazos (H2) este furnizat celulei de combustie sub presiune din partea anodului. Când molecula de H2 intră în contact cu platina de pe catalizator, aceasta se împarte în două părți, doi ioni (H+) și doi electroni (e–). Electronii sunt conduși prin anod unde trec printr-un circuit extern (circuit) efectuând o muncă utilă (de exemplu, antrenarea unui motor electric) și revenind din partea catodică a celulei de combustie.
Între timp, din partea catodică a celulei de combustie, oxigenul gazos (O 2 ) este forțat prin catalizator unde formează doi atomi de oxigen. Fiecare dintre acești atomi are o sarcină negativă puternică care atrage doi ioni H+ peste membrană, unde se combină cu un atom de oxigen și doi electroni din bucla exterioară (lanț) pentru a forma o moleculă de apă (H 2 O).
Această reacție într-o singură pilă de combustibil produce o putere de aproximativ 0,7 wați. Pentru a crește puterea la nivelul necesar, este necesar să combinați mai multe celule de combustibil individuale pentru a forma o stivă de celule de combustibil.
Pilele de combustibil POM funcționează la o temperatură relativ scăzută (aproximativ 80°C), ceea ce înseamnă că pot fi încălzite rapid la temperatura de funcționare și nu necesită sisteme de răcire costisitoare. Îmbunătățirea continuă a tehnologiei și materialelor utilizate în aceste celule a adus puterea lor mai aproape de un nivel în care o baterie de astfel de celule de combustibil, care ocupă o mică parte din portbagajul unei mașini, poate furniza energia necesară conducerii unei mașini.
În ultimii ani, cei mai mulți dintre cei mai importanți producători de automobile din lume au investit masiv în dezvoltarea modelelor de mașini folosind celule de combustie. Mulți au demonstrat deja vehicule cu celule de combustibil cu putere și dinamică satisfăcătoare, deși erau destul de scumpe.
Îmbunătățirea designului unor astfel de mașini este foarte intensă.

Vehicul cu pile de combustibil, folosește o centrală electrică situată sub podeaua vehiculului

Vehiculul NECAR V are la bază vehiculul Mercedes-Benz clasa A, cu întreaga centrală electrică, împreună cu celulele de combustie, situate sub podeaua vehiculului. O astfel de soluție constructivă face posibilă găzduirea a patru pasageri și bagaje în mașină. Aici, nu hidrogenul, ci metanolul este folosit drept combustibil pentru mașină. Metanolul cu ajutorul unui reformator (un dispozitiv care transformă metanolul în hidrogen) este transformat în hidrogen, care este necesar pentru alimentarea celulei de combustie. Utilizarea unui reformator la bordul unei mașini face posibilă utilizarea aproape oricărei hidrocarburi ca combustibil, ceea ce face posibilă realimentarea unei mașini cu celule de combustibil folosind rețeaua de stații de alimentare existente. Teoretic, celulele de combustie nu produc altceva decât electricitate și apă. Conversia combustibilului (benzină sau metanol) în hidrogenul necesar celulei de combustie reduce oarecum atractivitatea ecologică a unui astfel de vehicul.
Honda, care lucrează în domeniul pilelor de combustie din 1989, a produs un mic lot de vehicule Honda FCX-V4 în 2003 cu celulele de combustibil de tip membrană cu schimb de protoni Ballard. Aceste celule de combustie generează 78 kW de putere electrică, iar motoarele de tracțiune cu o putere de 60 kW și un cuplu de 272 Nm sunt folosite pentru a antrena roțile motoare.are o dinamică excelentă, iar furnizarea de hidrogen comprimat face posibilă funcționarea până la 355 km.

Honda FCX folosește puterea celulei de combustibil pentru a se propulsa.
Honda FCX este primul vehicul cu celule de combustibil din lume care a primit certificare guvernamentală în Statele Unite. Mașina este certificată ZEV - Vehicul cu emisii zero (vehicul cu poluare zero). Honda nu va vinde încă aceste mașini, dar închiriază aproximativ 30 de mașini pe unitate. California și Tokyo, unde există deja infrastructura de alimentare cu hidrogen.

Conceptul Hy Wire de la General Motors are o centrală electrică cu celule de combustibil

Cercetări ample privind dezvoltarea și crearea de vehicule cu celule de combustibil sunt efectuate de General Motors.

Șasiu vehicul Hy Wire

Conceptul GM Hy Wire a primit 26 de brevete. Baza mașinii este o platformă funcțională cu o grosime de 150 mm. În interiorul platformei se află cilindri de hidrogen, o centrală electrică cu celule de combustibil și sisteme de control al vehiculelor care utilizează cea mai recentă tehnologie electronică de control prin cablu. Șasiul mașinii Hy Wire este o platformă subțire care conține toate elementele structurale principale ale mașinii: butelii de hidrogen, celule de combustibil, baterii, motoare electrice și sisteme de control. Această abordare a proiectării face posibilă schimbarea caroseriei mașinilor în timpul funcționării.Compania testează, de asemenea, vehicule experimentale cu celule de combustibil Opel și proiectează o fabrică de producție de celule de combustibil.

Proiectarea unui rezervor de combustibil „sigur” pentru hidrogen lichefiat:
1 - dispozitiv de umplere;
2 - rezervor exterior;
3 - suporturi;
4 - senzor de nivel;
5 - rezervor interior;
6 - linie de umplere;
7 - izolație și vid;
8 - încălzitor;
9 - cutie de montaj

Problema utilizării hidrogenului ca combustibil pentru mașini este acordată multă atenție de către BMW. Împreună cu Magna Steyer, cunoscută pentru munca sa privind utilizarea hidrogenului lichefiat în cercetarea spațială, BMW a dezvoltat un rezervor de combustibil cu hidrogen lichefiat care poate fi folosit în mașini.

Testele au confirmat siguranța utilizării unui rezervor de combustibil cu hidrogen lichid

Compania a efectuat o serie de teste privind siguranța structurii conform metodelor standard și a confirmat fiabilitatea acesteia.
În 2002, la Salonul Auto de la Frankfurt (Germania), a fost prezentat Mini Cooper Hydrogen, care folosește hidrogen lichefiat drept combustibil. Rezervorul de combustibil al acestei mașini ocupă același spațiu ca un rezervor de benzină convențional. Hidrogenul din această mașină nu este folosit pentru celulele de combustie, ci ca combustibil pentru motoarele cu ardere internă.

Prima mașină din lume produsă în serie cu o pilă de combustibil în loc de o baterie

În 2003, BMW a anunțat lansarea primului vehicul cu celule de combustibil produs în masă, BMW 750 hL. În locul unei baterii tradiționale se folosește o baterie cu celule de combustibil. Această mașină are un motor cu ardere internă cu 12 cilindri care funcționează pe hidrogen, iar pila de combustibil servește ca alternativă la o baterie convențională, permițând aparatului de aer condiționat și altor consumatori să lucreze atunci când mașina este parcata mai mult timp cu motorul oprit.

Alimentarea cu hidrogen este efectuată de un robot, șoferul nu este implicat în acest proces

Aceeași companie BMW a dezvoltat și dozatoare robotizate de combustibil care asigură alimentarea rapidă și sigură a mașinilor cu hidrogen lichefiat.
Apariția în ultimii ani a unui număr mare de dezvoltări care vizează crearea de vehicule care utilizează combustibili alternativi și centrale electrice alternative indică faptul că motoarele cu ardere internă, care au dominat mașinile în ultimul secol, vor lăsa în cele din urmă locul unor modele mai curate, mai eficiente și mai silențioase. Utilizarea lor pe scară largă este în prezent împiedicată nu de probleme tehnice, ci mai degrabă de probleme economice și sociale. Pentru utilizarea lor pe scară largă, este necesară crearea unei anumite infrastructuri pentru dezvoltarea producției de combustibili alternativi, crearea și distribuția de noi benzinării și depășirea unei serii de bariere psihologice. Utilizarea hidrogenului ca combustibil pentru vehicule va necesita rezolvarea problemelor legate de stocare, livrare și distribuție, cu măsuri serioase de siguranță.
Teoretic, hidrogenul este disponibil în cantități nelimitate, dar producția lui este foarte consumatoare de energie. În plus, pentru a transforma mașinile să funcționeze cu hidrogen, trebuie făcute două schimbări mari în sistemul de alimentare: în primul rând, transferul funcționării acestuia de la benzină la metanol și apoi, de ceva timp, la hidrogen. Va trece ceva timp până când această problemă va fi rezolvată.

Descriere:

Acest articol discută mai detaliat structura lor, clasificarea, avantajele și dezavantajele, domeniul de aplicare, eficiența, istoria creației și perspectivele moderne de utilizare.

Utilizarea pilelor de combustibil pentru alimentarea clădirilor

Partea 1

Acest articol discută mai detaliat principiul funcționării pilelor de combustie, designul lor, clasificarea, avantajele și dezavantajele, domeniul de aplicare, eficiența, istoria creației și perspectivele moderne de utilizare. În partea a doua a articolului, care va fi publicat în numărul următor al revistei ABOK, oferă exemple de facilități în care diferite tipuri de pile de combustie au fost folosite ca surse de căldură și energie electrică (sau numai electricitate).

Introducere

Pilele de combustie sunt o modalitate foarte eficientă, fiabilă, durabilă și ecologică de a genera energie.

Folosite inițial doar în industria spațială, pilele de combustie sunt acum din ce în ce mai folosite într-o varietate de domenii - cum ar fi centralele electrice staționare, alimentarea cu energie termică și electrică a clădirilor, motoarele de vehicule, sursele de alimentare pentru laptopuri și telefoane mobile. Unele dintre aceste dispozitive sunt prototipuri de laborator, unele sunt supuse unor teste de pre-serie sau sunt folosite în scopuri demonstrative, dar multe modele sunt produse în serie și utilizate în proiecte comerciale.

O celulă de combustie (generator electrochimic) este un dispozitiv care transformă energia chimică a combustibilului (hidrogenul) în energie electrică direct în procesul unei reacții electrochimice, spre deosebire de tehnologiile tradiționale care folosesc arderea combustibililor solizi, lichizi și gazoși. Conversia electrochimică directă a combustibilului este foarte eficientă și atractivă din punct de vedere al mediului, deoarece cantitatea minimă de poluanți este eliberată în timpul funcționării și nu există zgomote și vibrații puternice.

Din punct de vedere practic, o pilă de combustibil seamănă cu o baterie galvanică convențională. Diferența constă în faptul că inițial bateria este încărcată, adică umplută cu „combustibil”. În timpul funcționării, „combustibil” este consumat și bateria este descărcată. Spre deosebire de baterie, o celulă de combustibil folosește combustibil furnizat dintr-o sursă externă pentru a produce energie electrică (Fig. 1).

Pentru producerea energiei electrice se poate folosi nu numai hidrogenul pur, ci și alte materii prime care conțin hidrogen, cum ar fi gazul natural, amoniacul, metanolul sau benzina. Aerul obișnuit este folosit ca sursă de oxigen, care este, de asemenea, necesară pentru reacție.

Când hidrogenul pur este folosit ca combustibil, produșii de reacție, pe lângă energia electrică, sunt căldura și apa (sau vaporii de apă), adică nu sunt emise gaze în atmosferă care să provoace poluarea aerului sau să producă efect de seră. Dacă o materie primă care conține hidrogen, cum ar fi gazul natural, este utilizată ca combustibil, alte gaze, cum ar fi oxizii de carbon și azot, vor fi un produs secundar al reacției, dar cantitatea sa este mult mai mică decât atunci când ardem aceeași. cantitatea de gaz natural.

Procesul de conversie chimică a combustibilului pentru a produce hidrogen se numește reformare, iar dispozitivul corespunzător se numește reformator.

Avantajele și dezavantajele pilelor de combustie

Pilele de combustie sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât motoarele cu ardere internă, deoarece nu există o limitare termodinamică a eficienței energetice pentru celulele de combustie. Eficiența celulelor de combustie este de 50%, în timp ce randamentul motoarelor cu ardere internă este de 12-15%, iar eficiența centralelor cu turbine cu abur nu depășește 40%. Prin utilizarea căldurii și a apei, eficiența celulelor de combustie este sporită și mai mult.

Spre deosebire de, de exemplu, motoarele cu ardere internă, eficiența pilelor de combustibil rămâne foarte ridicată chiar și atunci când acestea nu funcționează la putere maximă. În plus, puterea pilelor de combustie poate fi mărită prin simpla adăugare de blocuri separate, în timp ce eficiența nu se modifică, adică instalațiile mari sunt la fel de eficiente ca și cele mici. Aceste circumstanțe permit o selecție foarte flexibilă a compoziției echipamentelor în conformitate cu dorințele clientului și conduc în cele din urmă la o reducere a costurilor echipamentelor.

Un avantaj important al celulelor de combustie este respectarea mediului. Emisiile în aer de la celulele de combustie sunt atât de scăzute încât în ​​unele zone ale Statelor Unite nu necesită permise speciale din partea agențiilor guvernamentale de calitate a aerului.

Pilele de combustie pot fi amplasate direct în clădire, reducând astfel pierderile în timpul transportului de energie, iar căldura generată de reacție poate fi folosită pentru a furniza căldură sau apă caldă clădirii. Sursele autonome de energie termică și de alimentare cu energie electrică pot fi foarte benefice în zonele îndepărtate și în regiunile care se caracterizează printr-o lipsă de energie electrică și costul ridicat al acesteia, dar în același timp există rezerve de materii prime care conțin hidrogen (petrol, gaze naturale) .

Avantajele celulelor de combustie sunt, de asemenea, disponibilitatea combustibilului, fiabilitatea (nu există piese mobile în celula de combustibil), durabilitatea și ușurința în exploatare.

Unul dintre principalele deficiențe ale pilelor de combustie de astăzi este costul lor relativ ridicat, dar acest neajuns poate fi depășit în curând - tot mai multe companii produc mostre comerciale de celule de combustie, acestea sunt în mod constant îmbunătățite, iar costul lor este în scădere.

Cea mai eficientă utilizare a hidrogenului pur ca combustibil, totuși, aceasta va necesita crearea unei infrastructuri speciale pentru producerea și transportul acestuia. În prezent, toate modelele comerciale folosesc gaz natural și combustibili similari. Autovehiculele pot folosi benzină obișnuită, ceea ce va permite menținerea rețelei dezvoltate de benzinării existente. Cu toate acestea, utilizarea unui astfel de combustibil duce la emisii nocive în atmosferă (deși foarte scăzute) și complică (și, prin urmare, crește costul) celulei de combustie. În viitor, se ia în considerare posibilitatea utilizării surselor de energie regenerabilă ecologice (de exemplu, energia solară sau energia eoliană) pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen prin electroliză, iar apoi pentru a transforma combustibilul rezultat într-o pilă de combustie. Astfel de instalații combinate care funcționează într-un ciclu închis pot fi o sursă de energie complet ecologică, fiabilă, durabilă și eficientă.

O altă caracteristică a celulelor de combustie este că acestea sunt cele mai eficiente atunci când folosesc atât energia electrică, cât și cea termică în același timp. Cu toate acestea, posibilitatea utilizării energiei termice nu este disponibilă la fiecare unitate. În cazul utilizării pilelor de combustie doar pentru generarea de energie electrică, randamentul acestora scade, deși depășește eficiența instalațiilor „tradiționale”.

Istoria și utilizările moderne ale pilelor de combustibil

Principiul de funcționare al celulelor de combustie a fost descoperit în 1839. Omul de știință englez William Robert Grove (1811-1896) a descoperit că procesul de electroliză - descompunerea apei în hidrogen și oxigen prin intermediul unui curent electric - este reversibil, adică hidrogenul și oxigenul pot fi combinate în molecule de apă fără ardere, dar cu degajarea de căldură și curent electric. Grove a numit dispozitivul în care a avut loc o astfel de reacție „baterie cu gaz”, care a fost prima celulă de combustibil.

Dezvoltarea activă a tehnologiilor cu celule de combustie a început după cel de-al doilea război mondial și este asociată cu industria aerospațială. La acea vreme s-au efectuat căutări pentru o sursă de energie eficientă și fiabilă, dar în același timp destul de compactă. În anii 1960, specialiștii NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) au ales celulele de combustibil ca sursă de energie pentru navele spațiale ale programelor Apollo (zboruri cu echipaj către Lună), Apollo-Soyuz, Gemini și Skylab. Apollo a folosit trei unități de 1,5 kW (2,2 kW putere de vârf) folosind hidrogen și oxigen criogenic pentru a produce electricitate, căldură și apă. Masa fiecărei instalații a fost de 113 kg. Aceste trei celule au funcționat în paralel, dar energia generată de o unitate a fost suficientă pentru o întoarcere în siguranță. Pe parcursul a 18 zboruri, pilele de combustibil au acumulat un total de 10.000 de ore fără nicio defecțiune. În prezent, celulele de combustie sunt folosite în naveta spațială „Space Shuttle”, care folosește trei unități cu o putere de 12 W, care generează toată energia electrică de la bordul navei spațiale (Fig. 2). Apa obținută în urma unei reacții electrochimice este folosită ca apă potabilă, precum și pentru echipamente de răcire.

În țara noastră se lucrează și la crearea pilelor de combustie pentru utilizare în astronautică. De exemplu, celulele de combustibil au fost folosite pentru a alimenta naveta spațială sovietică Buran.

Dezvoltarea metodelor de utilizare comercială a pilelor de combustie a început la mijlocul anilor 1960. Aceste dezvoltări au fost parțial finanțate de organizații guvernamentale.

În prezent, dezvoltarea tehnologiilor de utilizare a pilelor de combustie merge în mai multe direcții. Este vorba despre crearea de centrale staționare pe pile de combustie (atât pentru alimentarea centralizată, cât și descentralizată de energie), centrale de vehicule (au fost create mostre de mașini și autobuze pe celule de combustie, inclusiv la noi) (Fig. 3), și de asemenea, surse de alimentare pentru diverse dispozitive mobile (laptop-uri, telefoane mobile etc.) (Fig. 4).

Exemple de utilizare a pilelor de combustie în diverse domenii sunt date în tabel. unu.

Unul dintre primele modele comerciale de celule de combustie concepute pentru alimentarea autonomă cu energie termică și electrică a clădirilor a fost PC25 Model A produs de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.). Aceasta pila de combustibil cu o putere nominala de 200 kW apartine tipului de celule cu electrolit pe baza de acid fosforic (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Numărul „25” din numele modelului înseamnă numărul de serie al designului. Majoritatea modelelor anterioare erau piese experimentale sau de testare, cum ar fi modelul „PC11” de 12,5 kW care a apărut în anii 1970. Noile modele au crescut puterea preluată de la o singură pilă de combustibil și, de asemenea, au redus costul pe kilowatt de energie produsă. În prezent, unul dintre cele mai eficiente modele comerciale este celula de combustibil PC25 Model C. Ca și modelul „A”, aceasta este o pilă de combustibil de tip PAFC complet automată de 200 kW proiectată pentru instalarea direct pe obiectul deservit ca sursă independentă de căldură și electricitate. O astfel de pilă de combustibil poate fi instalată în afara clădirii. În exterior, este un paralelipiped de 5,5 m lungime, 3 m lățime și 3 m înălțime, cântărind 18.140 kg. Diferența față de modelele anterioare este un reformator îmbunătățit și o densitate de curent mai mare.

tabelul 1 Domeniul de aplicare al pilelor de combustibil

Regiune aplicatii Evaluat putere Exemple de utilizare Staționar instalatii 5–250 kW și superior Surse autonome de căldură și alimentare cu energie electrică pentru clădiri rezidențiale, publice și industriale, surse de alimentare neîntreruptibile, surse de rezervă și de urgență Portabil instalatii 1–50 kW Semnale rutiere, camioane frigorifice și căi ferate, scaune cu rotile, mașini de golf, nave spațiale și sateliți Mobil instalatii 25–150 kW Mașini (prototipurile au fost create, de exemplu, de DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobuze (de exemplu, MAN, Neoplan, Renault) și alte vehicule, nave de război și submarine Microdispozitive 1-500W Telefoane mobile, laptopuri, PDA-uri, diverse dispozitive electronice de larg consum, aparate militare moderne

În unele tipuri de celule de combustie, procesul chimic poate fi inversat: prin aplicarea unei diferențe de potențial la electrozi, apa poate fi descompusă în hidrogen și oxigen, care sunt colectate pe electrozi poroși. Când o sarcină este conectată, o astfel de pilă de combustibil regenerativă va începe să genereze energie electrică.

O direcție promițătoare pentru utilizarea pilelor de combustie este utilizarea lor în combinație cu surse de energie regenerabilă, cum ar fi panourile fotovoltaice sau turbinele eoliene. Această tehnologie vă permite să evitați complet poluarea aerului. Un sistem similar este planificat să fie creat, de exemplu, la Centrul de Formare Adam Joseph Lewis din Oberlin (vezi ABOK, 2002, nr. 5, p. 10). În prezent, panourile solare sunt folosite ca una dintre sursele de energie în această clădire. Împreună cu specialiștii NASA, a fost dezvoltat un proiect de utilizare a panourilor fotovoltaice pentru a produce hidrogen și oxigen din apă prin electroliză. Hidrogenul este apoi folosit în celulele de combustie pentru a genera energie electrică și apă caldă. Acest lucru va permite clădirii să mențină performanța tuturor sistemelor în timpul zilelor înnorate și pe timp de noapte.

Principiul de funcționare al celulelor de combustie

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unei celule de combustie folosind cel mai simplu element cu o membrană de schimb de protoni (Proton Exchange Membrane, PEM) ca exemplu. Un astfel de element constă dintr-o membrană polimerică plasată între anod (electrodul pozitiv) și catod (electrodul negativ) împreună cu catalizatorii anod și catodic. Ca electrolit se folosește o membrană polimerică. Diagrama elementului PEM este prezentată în fig. 5.

O membrană schimbătoare de protoni (PEM) este un compus organic solid subțire (aproximativ 2-7 coli de hârtie simplă grosime). Această membrană funcționează ca un electrolit: separă materia în ioni încărcați pozitiv și negativ în prezența apei.

La anod are loc un proces oxidativ, iar la catod are loc un proces de reducere. Anodul și catodul din celula PEM sunt realizate dintr-un material poros, care este un amestec de particule de carbon și platină. Platina acționează ca un catalizator care favorizează reacția de disociere. Anodul și catodul sunt făcute poroase pentru trecerea liberă a hidrogenului și, respectiv, oxigenului prin ele.

Anodul și catodul sunt plasate între două plăci metalice, care furnizează hidrogen și oxigen anodului și catodului și elimină căldura și apa, precum și energia electrică.

Moleculele de hidrogen trec prin canalele din placă către anod, unde moleculele se descompun în atomi individuali (Fig. 6).

	Figura 5 () Diagrama schematică a unei celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEM).
	Figura 6 () Moleculele de hidrogen prin canalele din placă intră în anod, unde moleculele sunt descompuse în atomi individuali.
	Figura 7 () Ca rezultat al chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen sunt transformați în protoni
	Figura 8 () Ionii de hidrogen încărcați pozitiv difuzează prin membrană către catod, iar fluxul de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina.
	Figura 9 () Oxigenul furnizat catodului, în prezența unui catalizator, intră într-o reacție chimică cu ionii de hidrogen din membrana schimbătoare de protoni și electronii din circuitul electric extern. Apa se formează ca rezultat al unei reacții chimice

Apoi, ca urmare a chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen, fiecare donând câte un electron e - , se transformă în ioni de hidrogen H + încărcați pozitiv, adică protoni (Fig. 7).

Ionii de hidrogen încărcați pozitiv (protonii) difuzează prin membrană către catod, iar fluxul de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina (consumator de energie electrică) (Fig. 8).

Oxigenul furnizat catodului, în prezența unui catalizator, intră într-o reacție chimică cu ionii de hidrogen (protonii) din membrana schimbătoare de protoni și electronii din circuitul electric extern (Fig. 9). Ca rezultat al unei reacții chimice, se formează apă.

Reacția chimică într-o pilă de combustie de alte tipuri (de exemplu, cu un electrolit acid, care este o soluție de acid fosforic H 3 PO 4) este absolut identică cu reacția chimică dintr-o pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni.

În orice pilă de combustibil, o parte din energia unei reacții chimice este eliberată sub formă de căldură.

Fluxul de electroni într-un circuit extern este un curent continuu care este folosit pentru a lucra. Deschiderea circuitului extern sau oprirea mișcării ionilor de hidrogen oprește reacția chimică.

Cantitatea de energie electrică produsă de pila de combustie depinde de tipul celulei de combustie, dimensiunile geometrice, temperatură, presiunea gazului. O celulă de combustie separată asigură un EMF mai mic de 1,16 V. Este posibilă creșterea dimensiunii pilelor de combustie, dar în practică se folosesc mai multe celule, conectate în baterii (Fig. 10).

Dispozitiv cu pile de combustibil

Să luăm în considerare dispozitivul cu celulă de combustibil pe exemplul modelului PC25 Model C. Schema celulei de combustie este prezentată în fig. unsprezece.

Pila de combustibil „PC25 Model C” constă din trei părți principale: procesorul de combustibil, secțiunea de generare a energiei efective și convertorul de tensiune.

Partea principală a celulei de combustibil - secțiunea de generare a energiei - este o stivă compusă din 256 de celule de combustibil individuale. Compoziția electrozilor celulei de combustibil include un catalizator de platină. Prin aceste celule se generează un curent electric continuu de 1.400 de amperi la o tensiune de 155 volți. Dimensiunile bateriei sunt de aproximativ 2,9 m lungime și 0,9 m lățime și înălțime.

Deoarece procesul electrochimic are loc la o temperatură de 177 ° C, este necesară încălzirea bateriei în momentul pornirii și îndepărtarea căldurii din aceasta în timpul funcționării. Pentru a face acest lucru, pila de combustibil include un circuit separat de apă, iar bateria este echipată cu plăci speciale de răcire.

Procesorul de combustibil vă permite să convertiți gazul natural în hidrogen, care este necesar pentru o reacție electrochimică. Acest proces se numește reformare. Elementul principal al procesorului de combustibil este reformatorul. În reformator, gazul natural (sau alt combustibil care conține hidrogen) reacționează cu aburul la temperatură înaltă (900 °C) și presiune înaltă în prezența unui catalizator de nichel. Au loc următoarele reacții chimice:

CH4 (metan) + H2O3H2 + CO

(reacție endotermă, cu absorbție de căldură);

CO + H20H2 + CO2

(reacția este exotermă, cu degajare de căldură).

Reacția globală este exprimată prin ecuația:

CH4 (metan) + 2H2O4H2 + CO2

(reacție endotermă, cu absorbție de căldură).

Pentru a asigura temperatura ridicată necesară pentru conversia gazului natural, o parte din combustibilul uzat din stiva de celule de combustibil este trimisă la un arzător care menține reformatorul la temperatura dorită.

Aburul necesar reformării este generat din condensul format în timpul funcționării celulei de combustie. În acest caz, se utilizează căldura îndepărtată din stiva de celule de combustie (Fig. 12).

Stiva de celule de combustibil generează un curent continuu intermitent, care se caracterizează prin tensiune scăzută și curent ridicat. Un convertor de tensiune este utilizat pentru a-l converti la standard industrial AC. În plus, unitatea de convertizor de tensiune include diverse dispozitive de control și circuite de blocare de siguranță care permit oprirea celulei de combustie în cazul diferitelor defecțiuni.

Într-o astfel de pilă de combustie, aproximativ 40% din energia din combustibil poate fi convertită în energie electrică. Aproximativ aceeași cantitate, aproximativ 40% din energia combustibilului, poate fi convertită în, care este apoi folosită ca sursă de căldură pentru încălzire, alimentare cu apă caldă și în scopuri similare. Astfel, randamentul total al unei astfel de centrale poate ajunge la 80%.

Un avantaj important al unei astfel de surse de căldură și electricitate este posibilitatea de funcționare automată a acesteia. Pentru întreținere, proprietarii unității pe care este instalată pila de combustibil nu trebuie să întrețină personal special instruit - întreținerea periodică poate fi efectuată de către angajații organizației de exploatare.

Tipuri de celule de combustie

În prezent, sunt cunoscute mai multe tipuri de celule de combustie, care diferă prin compoziția electrolitului utilizat. Următoarele patru tipuri sunt cele mai răspândite (Tabelul 2):

1. Pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Pile de combustie pe bază de acid ortofosforic (fosforic) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Pile de combustie pe bază de carbonat topit (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Pile de combustie cu oxid solid (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). În prezent, cea mai mare flotă de celule de combustie este construită pe baza tehnologiei PAFC.

Una dintre caracteristicile cheie ale diferitelor tipuri de celule de combustibil este temperatura de funcționare. În multe privințe, temperatura este cea care determină domeniul de aplicare al celulelor de combustie. De exemplu, temperaturile ridicate sunt critice pentru laptopuri, astfel încât celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni cu temperaturi scăzute de funcționare sunt dezvoltate pentru acest segment de piață.

Pentru alimentarea autonomă cu energie electrică a clădirilor, sunt necesare pile de combustie de mare capacitate instalată și, în același timp, este posibilă utilizarea energiei termice, prin urmare, celulele de combustibil de alte tipuri pot fi utilizate și în aceste scopuri.

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC)

Aceste celule de combustibil funcționează la temperaturi de funcționare relativ scăzute (60-160°C). Acestea sunt caracterizate de o densitate mare de putere, vă permit să reglați rapid puterea de ieșire și pot fi pornite rapid. Dezavantajul acestui tip de elemente este cerințele ridicate pentru calitatea combustibilului, deoarece combustibilul contaminat poate deteriora membrana. Puterea nominală a celulelor de combustie de acest tip este de 1-100 kW.

Pilele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni au fost dezvoltate inițial de General Electric Corporation în anii 1960 pentru NASA. Acest tip de celulă de combustibil folosește un electrolit polimeric în stare solidă numit Membrană de schimb de protoni (PEM). Protonii se pot deplasa prin membrana schimbătoare de protoni, dar electronii nu pot trece prin aceasta, rezultând o diferență de potențial între catod și anod. Datorită simplității și fiabilității lor, astfel de celule de combustibil au fost folosite ca sursă de energie pe nava spațială cu echipaj Gemini.

Acest tip de pile de combustibil este folosit ca sursă de energie pentru o mare varietate de dispozitive, inclusiv prototipuri și prototipuri, de la telefoane mobile la autobuze și sisteme de alimentare staționare. Temperatura scăzută de funcționare permite ca astfel de celule să fie folosite pentru a alimenta diferite tipuri de dispozitive electronice complexe. Mai puțin eficientă este utilizarea lor ca sursă de căldură și alimentare cu energie electrică pentru clădirile publice și industriale, unde sunt necesare cantități mari de energie termică. În același timp, astfel de elemente sunt promițătoare ca sursă autonomă de alimentare cu energie pentru clădiri rezidențiale mici, cum ar fi căsuțele construite în regiunile cu un climat cald.

masa 2 Tipuri de celule de combustie

Categorie de obiect muncitorii temperatura, °C ieșire de eficiență electric energie), % Total Eficiență, % Pile de combustie cu membrana schimbătoare de protoni (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 celule de combustibil pe bază de ortofosforic acid (fosforic) (PAFC) 150–200 35 70–80 Pe bază de celule de combustibil carbonat topit (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oxid în stare solidă celule de combustibil (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Pile de combustie cu acid fosforic (PAFC)

Testele pilelor de combustie de acest tip au fost deja efectuate la începutul anilor 1970. Interval de temperatură de funcționare - 150-200 °C. Domeniul principal de aplicare este sursele autonome de căldură și alimentarea cu energie electrică de putere medie (aproximativ 200 kW).

Aceste celule de combustibil folosesc o soluție de acid fosforic ca electrolit. Electrozii sunt fabricați din hârtie acoperită cu carbon, în care este dispersat un catalizator de platină.

Eficiența electrică a pilelor de combustibil PAFC este de 37-42%. Cu toate acestea, deoarece aceste celule de combustibil funcționează la o temperatură suficient de ridicată, este posibil să se utilizeze aburul generat ca rezultat al funcționării. În acest caz, eficiența totală poate ajunge la 80%.

Pentru a produce energie, materia primă care conține hidrogen trebuie convertită în hidrogen pur printr-un proces de reformare. De exemplu, dacă benzina este folosită ca combustibil, atunci compușii de sulf trebuie îndepărtați, deoarece sulful poate deteriora catalizatorul de platină.

Pilele de combustibil PAFC au fost primele pile de combustibil comerciale care au fost justificate din punct de vedere economic. Cel mai comun model a fost celula de combustibil PC25 de 200 kW produsă de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.) (Fig. 13). De exemplu, aceste elemente sunt folosite ca sursă de căldură și electricitate într-o secție de poliție din Central Park din New York sau ca sursă suplimentară de energie pentru clădirea Conde Nast și Four Times Square. Cea mai mare centrală de acest tip este testată ca o centrală electrică de 11 MW situată în Japonia.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic sunt, de asemenea, folosite ca sursă de energie în vehicule. De exemplu, în 1994, H-Power Corp., Universitatea Georgetown și Departamentul de Energie din SUA au echipat un autobuz cu o centrală electrică de 50 kW.

Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie de acest tip funcționează la temperaturi foarte ridicate - 600-700 °C. Aceste temperaturi de funcționare permit combustibilului să fie utilizat direct în celulă însăși, fără a fi nevoie de un reformator separat. Acest proces se numește „reforma internă”. Permite simplificarea semnificativă a designului celulei de combustie.

Pilele de combustie pe bază de carbonat topit necesită un timp semnificativ de pornire și nu permit reglarea rapidă a puterii de ieșire, astfel încât domeniul lor principal de aplicare este sursele staționare mari de căldură și electricitate. Cu toate acestea, au o eficiență ridicată de conversie a combustibilului - 60% eficiență electrică și până la 85% eficiență globală.

În acest tip de pile de combustie, electrolitul constă din carbonat de potasiu și săruri de carbonat de litiu încălzite la aproximativ 650 °C. În aceste condiții, sărurile sunt în stare topită, formând un electrolit. La anod, hidrogenul interacționează cu ionii de CO 3, formând apă, dioxid de carbon și eliberând electroni care sunt trimiși către circuitul extern, iar la catod, oxigenul interacționează cu dioxidul de carbon și electronii din circuitul extern, formând din nou ioni de CO 3.

Probele de laborator de celule de combustie de acest tip au fost create la sfârșitul anilor 1950 de oamenii de știință olandezi G. H. J. Broers și J. A. A. Ketelaar. În anii 1960, inginerul Francis T. Bacon, un descendent al unui faimos scriitor și om de știință englez din secolul al XVII-lea, a lucrat cu aceste elemente, motiv pentru care celulele de combustibil MCFC sunt uneori denumite elemente Bacon. Programele NASA Apollo, Apollo-Soyuz și Scylab au folosit doar astfel de celule de combustibil ca sursă de energie (Fig. 14). În aceiași ani, departamentul militar al SUA a testat mai multe mostre de celule de combustibil MCFC fabricate de Texas Instruments, în care s-au folosit ca combustibil benzină de grade armate. La mijlocul anilor 1970, Departamentul de Energie al SUA a început cercetările pentru a dezvolta o celulă de combustibil staționară cu carbonat topit, potrivită pentru aplicații practice. În anii 1990, au fost puse în funcțiune o serie de instalații comerciale cu o putere de până la 250 kW, cum ar fi la US Naval Air Station Miramar din California. În 1996, FuelCell Energy, Inc. a pus în funcțiune o centrală pre-serie de 2 MW în Santa Clara, California.

Pile de combustibil cu oxid de stare solidă (SOFC)

Pilele de combustie cu oxid de stare solidă au un design simplu și funcționează la temperaturi foarte ridicate - 700-1000 °C. Astfel de temperaturi ridicate permit utilizarea combustibilului relativ „murdar”, nerafinat. Aceleași caracteristici ca și în celulele de combustie pe bază de carbonat topit determină un domeniu similar de aplicare - surse staționare mari de căldură și electricitate.

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt diferite din punct de vedere structural de celulele de combustibil bazate pe tehnologiile PAFC și MCFC. Anodul, catodul și electrolitul sunt fabricate din ceramică de clase speciale. Cel mai adesea, un amestec de oxid de zirconiu și oxid de calciu este utilizat ca electrolit, dar pot fi utilizați alți oxizi. Electrolitul formează o rețea cristalină acoperită pe ambele părți cu un material electrod poros. Din punct de vedere structural, astfel de elemente sunt realizate sub formă de tuburi sau plăci plate, ceea ce face posibilă utilizarea tehnologiilor utilizate pe scară largă în industria electronică la fabricarea lor. Ca rezultat, celulele de combustie cu oxid de stare solidă pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, făcându-le avantajoase atât pentru generarea de energie electrică, cât și termică.

La temperaturi ridicate de funcționare, la catod se formează ioni de oxigen, care migrează prin rețeaua cristalină către anod, unde interacționează cu ionii de hidrogen, formând apă și eliberând electroni liberi. În acest caz, hidrogenul este eliberat din gazul natural direct în celulă, adică nu este nevoie de un reformator separat.

Bazele teoretice pentru crearea pilelor de combustie cu oxid de stare solidă au fost puse la sfârșitul anilor 1930, când oamenii de știință elvețieni Bauer (Emil Bauer) și Preis (H. Preis) au experimentat cu zirconiu, ytriu, ceriu, lantan și wolfram, folosindu-le. ca electroliți.

Primele prototipuri ale unor astfel de celule de combustibil au fost create la sfârșitul anilor 1950 de o serie de companii americane și olandeze. Majoritatea acestor companii au abandonat curând cercetările ulterioare din cauza dificultăților tehnologice, dar una dintre ele, Westinghouse Electric Corp. (acum „Siemens Westinghouse Power Corporation”), a continuat munca. Compania acceptă în prezent precomenzi pentru un model comercial de celulă de combustibil cu oxid solid cu topologie tubulară, așteptat în acest an (Figura 15). Segmentul de piață al acestor elemente îl reprezintă instalațiile staționare pentru producerea de energie termică și electrică cu o capacitate de 250 kW până la 5 MW.

Pilele de combustibil de tip SOFC au demonstrat o fiabilitate foarte mare. De exemplu, un prototip de celulă de combustibil Siemens Westinghouse a înregistrat 16.600 de ore și continuă să funcționeze, ceea ce o face cea mai lungă durată de viață continuă a celulei de combustibil din lume.

Modul de funcționare la temperatură înaltă și presiune înaltă a celulelor de combustie SOFC permite crearea de centrale hibride, în care emisiile de celule de combustie antrenează turbinele cu gaz utilizate pentru a genera energie electrică. Prima astfel de fabrică hibridă este în funcțiune în Irvine, California. Puterea nominală a acestei centrale este de 220 kW, din care 200 kW de la pila de combustie și 20 kW de la generatorul cu microturbină.

Nimeni nu va fi surprins nici de panourile solare, nici de morile de vânt, care generează electricitate în toate regiunile lumii. Dar ieșirea de la aceste dispozitive nu este constantă și este necesar să se instaleze surse de alimentare de rezervă sau să se conecteze la rețea pentru a primi energie electrică în perioada în care instalațiile de energie regenerabilă nu generează energie electrică. Cu toate acestea, există plante dezvoltate în secolul al XIX-lea care folosesc combustibili „alternativi” pentru a genera energie electrică, adică nu ard gaze sau produse petroliere. Astfel de instalații sunt pile de combustie.

ISTORIA CREAȚIEI

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

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

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

„Bateria lui Grow”

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

Termenul de „pilă de combustie” (în engleză „Fuel Cell”) a apărut abia în 1889 de către L. Mond și
Ch. Langer, care a încercat să creeze un dispozitiv pentru generarea de energie electrică din aer și gaz de cărbune.

CUM FUNCTIONEAZA?

Pila de combustibil este un dispozitiv relativ simplu. Are doi electrozi: un anod (electrod negativ) și un catod (electrod pozitiv). Pe electrozi are loc o reacție chimică. Pentru a accelera, suprafața electrozilor este acoperită cu un catalizator. Pilele de combustibil sunt echipate cu încă un element - o membrană. Conversia energiei chimice a combustibilului direct în electricitate are loc datorită lucrului membranei. Separă cele două camere ale elementului în care sunt furnizate combustibil și oxidant. Membrana permite doar protonilor, care sunt obținuți ca urmare a divizării combustibilului, să treacă dintr-o cameră în alta pe un electrod acoperit cu un catalizator (electronii trec apoi prin circuitul extern). În a doua cameră, protonii se recombină cu electronii (și atomii de oxigen) pentru a forma apă.

Principiul de funcționare al unei celule de combustibil cu hidrogen

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

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

Prin furnizarea de hidrogen unui electrod situat într-un mediu alcalin, are loc o reacție chimică:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

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

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Se poate observa că reacția rezultată 2H 2 + O 2 → H 2 O este aceeași ca în arderea convențională, dar pila de combustie generează energie electrică și ceva căldură.

TIPURI DE PILE DE COMBUSTIBIL

FC este clasificat în funcție de tipul de electrolit utilizat pentru reacție:

Trebuie remarcat faptul că cărbunele, monoxidul de carbon, alcoolii, hidrazina și alte substanțe organice pot fi, de asemenea, utilizați ca combustibil în celulele de combustie, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizați ca agenți oxidanți.

Eficiența celulei de combustie

O caracteristică a celulelor de combustibil este fără limită de eficiență ca un motor termic.

Ajutor: eficientaCiclul Carnot este randamentul maxim posibil dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime.

Prin urmare, eficiența celulelor de combustibil în teorie poate fi mai mare de 100%. Mulți au zâmbit și au gândit: „Mașina cu mișcare perpetuă a fost inventată”. Nu, merită să te întorci la cursul de chimie de la școală. Pila de combustibil se bazează pe conversia energiei chimice în energie electrică. Aici se întâmplă minunile. Anumite reacții chimice din proces pot absorbi căldura din mediu.

Referință: Reacțiile endoterme sunt reacții chimice însoțite de absorbția de căldură. Pentru reacțiile endoterme, modificarea entalpiei și a energiei interne au valori pozitive (Δ H >0, Δ U >0), astfel, produșii de reacție conțin mai multă energie decât componentele originale.

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

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

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

Referinţă:În anii patruzeci, inginerul englez T. Bacon a proiectat și construit o baterie pentru celule de combustie cu o putere totală de 6 kW și o eficiență de 80%, funcționând pe hidrogen și oxigen pur, dar raportul putere-greutate al bateriei s-a transformat. a fost prea mic - astfel de celule erau nepotrivite pentru utilizare practică și prea scumpe (sursa: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEME PILELOR DE COMBUSTIBIL

Aproape toate celulele de combustie folosesc hidrogen ca combustibil, așa că întrebarea logică este: „De unde îl pot obține?”

Se pare că o pilă de combustie a fost descoperită în urma electrolizei, astfel încât să poți folosi hidrogenul eliberat în urma electrolizei. Dar să aruncăm o privire mai atentă la acest proces.

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

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

Cu toate acestea, există și o soluție aici - combustibilul cu hidrocarburi lichide poate fi folosit ca sursă de hidrogen. De exemplu, alcoolul etilic sau metilic. Adevărat, aici este deja necesar un dispozitiv suplimentar special - un convertor de combustibil, la o temperatură ridicată (pentru metanol va fi undeva în jur de 240 ° C) care transformă alcoolii într-un amestec de H 2 și CO 2 gazos. Dar în acest caz este deja mai dificil să te gândești la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bune de folosit ca generatoare staționare sau auto, dar pentru echipamente mobile compacte ai nevoie de ceva mai puțin voluminos.

Catalizator

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

UTILIZAREA PILELOR DE COMBUSTIBIL

Pentru prima dată, o pilă de combustie în tehnologia auto a fost testată în 1959. Tractorul Alice-Chambers a folosit 1008 baterii pentru a funcționa. Combustibilul era un amestec de gaze, în principal propan și oxigen.

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

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

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

Deja în prezent, producători de automobile precum Honda, Ford, Nissan și Mercedes-Benz au creat vehicule alimentate cu celule de combustibil cu hidrogen.

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

Când folosiți mașini pe hidrogen, problema stocării hidrogenului este rezolvată. Construcția stațiilor de alimentare cu hidrogen va face posibilă realimentarea oriunde. Mai mult, umplerea unei mașini cu hidrogen este mai rapidă decât încărcarea unei mașini electrice la o benzinărie. Dar la implementarea unor astfel de proiecte s-au confruntat cu o problemă precum cea a vehiculelor electrice. Oamenii sunt gata să se „transfere” într-o mașină cu hidrogen dacă există o infrastructură pentru ei. Și construcția de benzinării va începe dacă există un număr suficient de consumatori. Prin urmare, am ajuns din nou la dilema ouălor și găinii.

Pilele de combustibil sunt utilizate pe scară largă în telefoanele mobile și laptop-uri. Au dispărut vremurile în care telefonul era încărcat o dată pe săptămână. Acum telefonul se incarca, aproape in fiecare zi, iar laptopul functioneaza fara retea 3-4 ore. Prin urmare, producătorii de tehnologie mobilă au decis să sintetizeze o pilă de combustibil cu telefoane și laptopuri pentru încărcare și lucru. De exemplu, Toshiba în 2003 a demonstrat un prototip finit al unei celule de combustibil cu metanol. Oferă o putere de aproximativ 100mW. O reumplere a 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de funcționare a playerului MP3. Din nou, același „Toshiba” a demonstrat un element de alimentare pentru laptop de 275x75x40mm, care permite computerului să funcționeze timp de 5 ore dintr-o singură încărcare.

Dar unii producători au mers mai departe. PowerTrekk a lansat un încărcător cu același nume. PowerTrekk este primul încărcător de apă din lume. Este foarte usor de folosit. PowerTrekk are nevoie de apă pentru a fi adăugată pentru a furniza energie instantanee prin cablul USB. Această pilă de combustie conține pulbere de siliciu și siliciu de sodiu (NaSi) atunci când este amestecată cu apă, această combinație generează hidrogen. Hidrogenul se amestecă cu aerul în pila de combustie în sine și transformă hidrogenul în electricitate prin schimbul de protoni din membrană, fără ventilatoare sau pompe. Puteți cumpăra un astfel de încărcător portabil la 149 € (

Pilele de combustie (generatoare electrochimice) sunt o metodă foarte 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 și centrale electrice staționare. Unele dintre aceste dispozitive funcționează ca prototipuri de laborator, altele sunt folosite în scopuri demonstrative sau sunt supuse testării pre-seriilor. 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 include trei părți principale:

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

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

Unul dintre aceste dispozitive are următoarele caracteristici: la o tensiune de 155 volți se produc 1400 de amperi. Dimensiunile bateriei sunt de 0,9 m latime si inaltime, precum si 2,9 m 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 compoziția celulei de combustibil este inclus un circuit separat de apă, inclusiv bateria este 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 de nichel.

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

De asemenea, în unitatea de convertizor de tensiune există:

• dispozitive de control.
• Circuite de interblocare de siguranță care închid 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 utilizată 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 separă substanța în ioni încărcați negativ 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, care favorizează 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 rezultat al 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. Rezultatul acestei reacții chimice este apa.

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

feluri

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

• Pile de combustie pe bază de acid ortofosforic 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, vehicule spațiale reutilizabile. Folosesc unități de 12W. Ei generează toată electricitatea din navă spațială. Apa, care se formează în timpul reacției electrochimice, 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 putere de 1–50 kW. Sunt folosite pentru sateliți și nave spațiale. Instanțe sunt create pentru cărucioare de golf, scaune cu rotile, frigidere pentru căi ferate și de 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 giganți din automobile precum Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford și alții.
• Microdispozitive cu o putere de 1–500 W. Ei găsesc aplicații în computere portabile avansate, laptopuri, dispozitive electronice de larg consum, telefoane mobile, dispozitive militare moderne.

Particularități

• O parte din energia reacției chimice din fiecare celulă de combustibil este eliberată sub formă de căldură. Este necesară răcirea. Într-un circuit extern, fluxul de electroni creează un curent continuu folosit pentru a lucra. Oprirea mișcării ionilor de hidrogen sau deschiderea circuitului extern duce la încetarea reacției chimice.
• Cantitatea de energie electrică pe care pilele de combustibil o creează este determinată de presiunea gazului, temperatură, dimensiunile geometrice și tipul de pile de combustibil. Pentru a crește cantitatea de energie electrică generată de reacție, este posibil să măriți dimensiunea celulelor de combustie, dar în practică se folosesc mai multe elemente, 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 electrozi poroși. Odată cu includerea sarcinii, o astfel de pilă de combustibil va genera energie electrică.

perspective

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

• Mașinile vor funcționa pe celule de combustibil, nu vor avea deloc motoare cu ardere internă. Apa sau hidrogenul în stare solidă vor fi folosite ca sursă de energie. Alimentarea va fi ușoară și sigură, iar conducerea va fi ecologică – se vor genera doar vapori de apă.
• Toate clădirile vor avea propriile lor generatoare portabile de energie cu celule de combustibil.
• Generatoarele electrochimice vor înlocui toate bateriile și vor fi 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.

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 acesteia necesită o alimentare constantă cu substanțe din exterior pentru a avea loc o reacție electrochimică. Hidrogenul și oxigenul sunt furnizate celulelor de combustie, 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 practic la nesfârșit atâta timp cât combustibilul este disponibil. Nu trebuie să fie încărcate ore întregi până la încărcare completă. Mai mult decât atât, celulele în sine pot încărca bateria în timp ce mașina este parcata cu motorul oprit.

Pilele de combustibil cu membrană cu protoni (PEMFC) și celulele de combustibil cu oxid solid (SOFC) sunt cele mai utilizate pe scară largă în vehiculele cu hidrogen.

O celulă de combustibil cu o membrană schimbătoare de protoni funcționează după cum urmează. Între anod și catod se află o membrană specială și un catalizator acoperit cu platină. Hidrogenul intră în anod, iar oxigenul intră în catod (de exemplu, din aer). La anod, hidrogenul este descompus în protoni și electroni cu ajutorul unui catalizator. Protonii de hidrogen trec prin membrană și intră în catod, în timp ce electronii sunt eliberați în circuitul extern (membrana nu îi lasă 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 mașinii. Având 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 va înlocui platina scumpă în aceste celule, atunci va fi creată imediat o pilă de combustibil ieftină pentru a genera electricitate, ceea ce înseamnă că lumea va scăpa de dependența de petrol.

Celule de oxid solid

Celulele SOFC cu oxid solid sunt mult mai puțin solicitante cu privire la puritatea combustibilului. În plus, datorită utilizării unui reformator POX (Oxidare parțială - oxidare parțială), astfel de 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 eliberează hidrogen și dioxid de carbon. Mai departe, tot sub influența temperaturii și cu ajutorul SOFC în sine (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 străine din combustibilul original. 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. Cu toate acestea, excesul de căldură nu este o problemă, deoarece este complet îndepărtat 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 vă permite să atingeți tensiunea necesară prin conectarea unui set de celule standard în serie. Și, poate cel mai important, din punctul de vedere al introducerii unor astfel de dispozitive, nu există electrozi foarte scumpi pe bază de platină în SOFC. Costul ridicat al acestor elemente este unul dintre obstacolele în dezvoltarea și diseminarea tehnologiei PEMFC.

Tipuri de celule de combustibil

În prezent, există astfel de tipuri de celule de combustibil:

• A.F.C.– Pilă de combustibil alcalină (pilă de combustibil alcalină);
• PAFC– Pilă de combustibil cu acid fosforic (pilă de combustibil cu acid fosforic);
• PEMFC– Pilă de combustie cu membrană de schimb de protoni (pilă de combustie cu membrană de schimb de protoni);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (pilă de combustie cu descompunere directă a metanolului);
• MCFC– Celula de combustie cu carbonat topit (celula de combustibil din carbonat topit);
• SOFC– Pilă de combustie cu oxid solid (pilă de combustibil cu oxid solid).

Beneficiile celulelor/pilelor de combustie

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

O celulă de combustibil este similară cu o baterie prin faptul că generează curent continuu printr-o reacție chimică. Pila de combustibil include un anod, un catod și un electrolit. Cu toate acestea, spre deosebire de baterii, pilele/pilele de combustie nu pot stoca energie electrică, nu se descarcă și nu necesită reîncărcare a energiei electrice. Pilele/pilele de combustie pot genera în mod continuu energie electrică atâta timp cât au o sursă de combustibil și aer.

Spre deosebire de alte generatoare de energie, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, ulei etc., pilele/pilele de combustie nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele/pilele de combustie generează electricitate printr-o reacție electrochimică silentioasă. O altă caracteristică a celulelor/pilelor 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 produse emise în timpul funcționării sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu este emisă deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Pilele/pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Istoria dezvoltării celulelor de combustie/pilele

În anii 1950 și 1960, una dintre cele mai mari provocări pentru celulele de combustibil a luat naștere din nevoia Administrației Naționale de Aeronautică și Spațiu (NASA) de surse de energie pentru misiunile spațiale de lungă durată. Celula/celula alcalină de la NASA utilizează hidrogen și oxigen ca combustibil, combinându-le într-o reacție electrochimică. Rezultatele sunt trei produse secundare de reacție utile în zborurile spațiale - electricitate pentru alimentarea navei spațiale, apă pentru sistemele de băut și răcire și căldură pentru a menține astronauții cald.

Descoperirea pilelor de combustie datează de la începutul secolului al XIX-lea. Prima dovadă a efectului pilelor de combustibil a fost obținută în 1838.

La sfârșitul anilor 1930, au început lucrările la pile de combustibil alcaline, iar până în 1939 a fost construită o celulă care folosea electrozi placați cu nichel de înaltă presiune. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, au fost dezvoltate pile/pile de combustie pentru submarinele marinei britanice, iar în 1958 a fost introdus un ansamblu de combustibil format din pile/pile de combustie alcaline cu un diametru de puțin peste 25 cm.

Dobânda a crescut în anii 1950 și 1960 și, de asemenea, în anii 1980, când lumea industrială a cunoscut o penurie de păcură. În aceeași perioadă, țările lumii au devenit și ele preocupate de problema poluării aerului și au luat în considerare modalități de a genera energie electrică ecologică. În prezent, tehnologia celulelor de combustie/pilei este în curs de dezvoltare rapidă.

Cum funcționează celulele/pilele de combustibil

Pilele/pilele de combustie generează electricitate și căldură printr-o reacție electrochimică în curs de desfășurare folosind un electrolit, un catod și un anod.

Anodul și catodul sunt separate de un electrolit care conduce protonii. După ce hidrogenul intră în anod și oxigenul intră în catod, începe o reacție chimică, în urma căreia se generează curent electric, căldură și apă.

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

Mai jos este reacția corespunzătoare:

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

Tipuri și varietate de celule de combustibil/pile

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

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

Pile de combustie/pile pe carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie cu electroliți de carbonat topit sunt pile de combustie la temperaturi înalte. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără un procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din combustibili de proces și alte surse.

Funcționarea RCFC este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit 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 a ionilor 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 un conductor pentru ionii de carbonat (CO 3 2-). Acești ioni trec de la catod la anod unde se combină cu hidrogenul pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

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

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustie cu electroliți cu carbonat topit au anumite avantaje. La temperaturi ridicate, gazul natural este reformat intern, eliminând necesitatea unui procesor de combustibil. În plus, avantajele includ capacitatea de a utiliza materiale standard de construcție, cum ar fi tabla de oțel inoxidabil și catalizatorul de nichel pe electrozi. Căldura reziduală poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune pentru diverse aplicații industriale și comerciale.

Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au și avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult pentru a ajunge la condiții optime de funcționare, iar sistemul reacționează mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea sistemelor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea celulei de combustie de către monoxidul de carbon.

Pilele de combustibil cu carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 3,0 MW sunt produse industrial. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 110 MW.

Pile de combustie/pile pe bază de acid fosforic (PFC)

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) au fost primele pile de combustie destinate utilizării comerciale.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H 3 PO 4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, din acest motiv aceste pile de combustie 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, în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii trec prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt direcționați de-a lungul unui circuit electric extern și este generat un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

Reacția la anod: 2H 2 => 4H ++ 4e -
Reacția la catod: O 2 (g) + 4H + + 4e - \u003d\u003e 2 H 2 O
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

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

Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de până la 500 kW sunt produse industrial. Instalațiile de 11 MW au trecut testele relevante. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

Pile/pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate varia de la 600°C la 1000°C, ceea ce permite utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără o pre-tratare specială. Pentru a face față acestor temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe bază de ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O 2-).

Un electrolit solid asigură o tranziție gazoasă ermetică 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 (O 2-). La catod, moleculele de oxigen sunt separate din aer într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt direcționați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacția la anod: 2H 2 + 2O 2- => 2H 2 O + 4e -
Reacția la catod: O 2 + 4e - \u003d\u003e 2O 2-
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

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

Pilele de combustie cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600°C - 1000°C), rezultând o perioadă lungă de timp pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la schimbările în consumul de energie. La astfel de temperaturi de operare ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri din gazeificarea cărbunelui sau gaze reziduale și altele asemenea. De asemenea, această pilă de combustie este excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Module produse industrial cu o putere electrică de ieșire de 100 kW.

Pile de combustie/pile cu oxidare directă a metanolului (DOMTE)

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

Structura pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele de combustie cu membrană de schimb de protoni (MOFEC), adică. un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Cu toate acestea, metanolul lichid (CH 3 OH) este oxidat în prezența apei la anod, eliberând CO 2 , ioni de hidrogen și electroni, care sunt ghidați printr-un circuit electric extern și se generează un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

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

Avantajul acestui tip de pile de combustie este dimensiunile lor mici, datorate folosirii combustibilului lichid, si absenta necesitatii folosirii unui convertor.

Pile/pile de combustibil alcaline (AFC)

Pilele de combustie alcaline sunt printre 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, adică o soluție apoasă de hidroxid de potasiu, conținută într-o matrice poroasă, stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustie, care variază de la 65°C la 220°C. Purtătorul de sarcină într-un SFC este un ion hidroxid (OH-) care se deplasează de la catod la anod unde reacţionează cu hidrogenul pentru a produce apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxid acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce energie electrică și, ca produs secundar, căldură:

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

Avantajul SFC este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de fabricat, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. SCFC funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente celule de combustibil - astfel de caracteristici pot contribui, respectiv, la o generare mai rapidă a energiei și, respectiv, la o eficiență ridicată a combustibilului.

Una dintre caracteristicile SHTE este sensibilitatea sa ridicată la CO 2 , care poate fi conținut în combustibil sau aer. CO 2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SFC este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea trebuie să funcționeze cu hidrogen și oxigen pur. Mai mult, molecule precum CO, H2O și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustibil și chiar combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SFC.

Pile/pile de combustibil cu electrolit polimeric (PETE)

În cazul pilelor de combustie cu electrolit polimeric, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care există o conducere a ionilor de apă (H 2 O + (proton, roșu) atașat de molecula de apă). Moleculele de apă prezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și pe electrozii de evacuare, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100°C.

Pile/pile de combustibil acid solid (SCFC)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO 4 ) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 100-300°C. Rotația anionilor SO 4 2-oxi permite protonilor (roșii) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o pilă de combustie cu acid solid este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi strâns comprimați pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, păstrând capacitatea numeroaselor contacte între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al celulei), electrolit și electrozi.

Diverse module de celule de combustibil. baterie cu pile de combustibil

1. Baterie cu pile de combustibil
2. Alte echipamente de înaltă temperatură (generator de abur integrat, cameră de ardere, schimbător de echilibru termic)
3. Izolatie rezistenta la caldura

modul de pile de combustibil

Analiza comparativă a tipurilor și varietăților de celule de combustie

Centralele municipale de energie termică și electrice inovatoare, care economisesc energie, sunt construite în mod obișnuit pe celule de combustibil cu oxid solid (SOFC), celule de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC), celule de combustibil cu acid fosforic (PCFC), celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MPFC) și pile de combustibil alcaline ( APFC-uri). Acestea au de obicei următoarele caracteristici:

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) ar trebui recunoscute ca fiind cele mai potrivite, care:

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

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de lucru	Eficiență de generare a energiei	Tipul combustibilului	Zona de aplicare
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalatii medii si mari
FKTE	100–220°C	35-40%	hidrogen pur	Instalații mari
MOPTE	30-100°C	35-50%	hidrogen pur	Instalații mici
SOFC	450–1000°C	45-70%	Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi	Instalatii mici, medii si mari
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Portabil
SHTE	50–200°C	40-70%	hidrogen pur	cercetare spatiala
PETE	30-100°C	35-50%	hidrogen pur	Instalații mici

Deoarece centralele termice mici pot fi conectate la o rețea convențională de alimentare cu gaz, celulele de combustie nu necesită un sistem separat de alimentare cu hidrogen. La utilizarea centralelor termice mici pe bază de celule de combustie cu oxid solid, căldura generată poate fi integrată în schimbătoare de căldură pentru încălzirea apei și aerului de ventilație, crescând eficiența generală a sistemului. Această tehnologie inovatoare este cea mai potrivită pentru generarea eficientă de energie, fără a fi nevoie de infrastructură costisitoare și de integrare complexă a instrumentelor.

Aplicații pentru pile de combustie/pile de combustie

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de telecomunicații

Odată cu răspândirea rapidă a sistemelor de comunicații fără fir în întreaga lume și cu beneficiile sociale și economice în creștere ale tehnologiei de telefonie mobilă, nevoia de energie de rezervă fiabilă și rentabilă a devenit critică. Pierderile de rețea pe tot parcursul anului din cauza vremii nefavorabile, dezastrelor naturale sau capacității limitate ale rețelei reprezintă o provocare constantă pentru operatorii rețelei.

Soluțiile tradiționale de rezervă de energie pentru telecomunicații includ baterii (celula bateriei plumb-acid reglată prin supapă) pentru energie de rezervă pe termen scurt și generatoare diesel și propan pentru putere de rezervă mai lungă. Bateriile sunt o sursă relativ ieftină de energie de rezervă pentru 1 până la 2 ore. Cu toate acestea, bateriile nu sunt potrivite pentru perioade de rezervă mai lungi, deoarece sunt costisitoare de întreținut, devin nefiabile după perioade lungi de utilizare, sunt sensibile la temperaturi și sunt periculoase pentru mediu după eliminare. Generatoarele diesel și propan pot furniza energie de rezervă continuă. Cu toate acestea, generatoarele pot fi nesigure, necesită întreținere extinsă și eliberează niveluri ridicate de poluanți și gaze cu efect de seră în atmosferă.

Pentru a elimina limitările soluțiilor tradiționale de alimentare de rezervă, a fost dezvoltată o tehnologie inovatoare cu celule de combustibil ecologice. Pilele de combustie sunt fiabile, silențioase, conțin mai puține piese în mișcare decât un generator, au o gamă de temperatură de funcționare mai largă decât o baterie de la -40°C la +50°C și, prin urmare, asigură un nivel extrem de ridicat de economii de energie. În plus, costul pe durata de viață al unei astfel de centrale este mai mic decât cel al unui generator. Costul mai mic pe celulă de combustie este rezultatul unei singure vizite de întreținere pe an și a unei productivități semnificativ mai mari a fabricii. La urma urmei, pila de combustibil este o soluție tehnologică ecologică, cu impact minim asupra mediului.

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

• FIABILITATE– Puține piese în mișcare și nicio descărcare de așteptare
• ECONOMIE DE ENERGIE
• TĂCERE– nivel scăzut de zgomot
• STABILITATE– domeniu de operare de la -40°C la +50°C
• ADAPTABILITATE– instalare exterioară și interioară (container/container de protecție)
• DE MARE PUTERE– până la 15 kW
• NEVOIE MICĂ DE ÎNTREȚINERE– întreținere minimă anuală
• ECONOMIE- cost total de proprietate atractiv
• ENERGIE VERDE– emisii reduse cu impact minim asupra mediului

Sistemul detectează tensiunea magistralei DC tot timpul și acceptă fără probleme sarcinile critice dacă tensiunea magistralei DC scade sub un punct de referință definit de utilizator. Sistemul funcționează cu hidrogen, care intră în stiva de celule de combustie într-unul din două moduri - fie dintr-o sursă comercială de hidrogen, fie dintr-un combustibil lichid de metanol și apă, folosind un sistem reformator la bord.

Electricitatea este produsă de stiva de celule de combustibil sub formă de curent continuu. Puterea de curent continuu este trimisă la un convertor care convertește puterea de curent continuu nereglată din stiva de celule de combustibil în putere de curent continuu reglată de înaltă calitate pentru sarcinile necesare. O instalație de pile de combustie poate furniza energie de rezervă timp de mai multe zile, deoarece durata este limitată doar de cantitatea de combustibil de hidrogen sau metanol/apă disponibilă în stoc.

Pilele de combustie oferă o eficiență energetică superioară, o fiabilitate sporită a sistemului, o performanță mai previzibilă într-o gamă largă de climate și o durată de viață fiabilă în comparație cu pachetele de baterii plumb-acid reglementate de supape standard din industrie. Costurile ciclului de viață sunt, de asemenea, mai mici datorită cerințelor semnificativ mai mici de întreținere și înlocuire. Pilele de combustie oferă utilizatorului final beneficii de mediu, deoarece costurile de eliminare și riscurile de răspundere asociate cu celulele cu plumb acid sunt o preocupare tot mai mare.

Performanța bateriilor electrice poate fi afectată negativ de o gamă largă de factori, cum ar fi nivelul de încărcare, temperatura, ciclurile, durata de viață și alte variabile. Energia furnizată va varia în funcție de acești factori și nu este ușor de prezis. Performanța unei celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) este relativ neafectată de acești factori și poate furniza o putere critică atâta timp cât combustibilul este disponibil. Previzibilitatea sporită este un beneficiu important atunci când treceți la celulele de combustie pentru aplicații critice de alimentare de rezervă.

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

Combustibilul folosit pentru a conduce convertizorul de combustibil cu durată extinsă este un amestec de metanol și apă. Metanolul este un combustibil comercial disponibil pe scară largă, care are în prezent numeroase utilizări, inclusiv spălarea parbrizului, sticlele de plastic, aditivii pentru motor și vopselele în emulsie. Metanolul este ușor de transportat, miscibil cu apa, are o bună biodegradabilitate și nu conține sulf. Are un punct de îngheț scăzut (-71°C) și nu se descompune în timpul depozitării îndelungate.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de comunicații

Rețelele de securitate necesită soluții de alimentare de rezervă fiabile, care pot dura ore sau zile în caz de urgență, dacă rețeaua de energie devine indisponibilă.

Cu puține piese în mișcare și fără o reducere a puterii de așteptare, tehnologia inovatoare cu celule de combustibil oferă o soluție atractivă în comparație cu sistemele de alimentare de rezervă disponibile în prezent.

Motivul cel mai convingător pentru utilizarea tehnologiei celulelor de combustie în rețelele de comunicații este fiabilitatea generală și securitatea crescute. În timpul unor evenimente precum întreruperile de curent, cutremure, furtuni și uragane, este important ca sistemele să continue să funcționeze și să aibă o sursă de alimentare de rezervă fiabilă pentru o perioadă lungă de timp, indiferent de temperatura sau vechimea sistemului de alimentare de rezervă.

Gama de surse de alimentare cu celule de combustie este ideală pentru susținerea rețelelor de comunicații securizate. Datorită principiilor lor de design de economisire a energiei, acestea oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă, cu o durată extinsă (până la câteva zile) pentru utilizare în intervalul de putere de la 250 W la 15 kW.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de date

Alimentarea de încredere pentru rețelele de date, cum ar fi rețelele de date de mare viteză și coloana vertebrală cu fibră optică, este de o importanță cheie în întreaga lume. Informațiile transmise prin astfel de rețele conțin date critice pentru instituții precum bănci, companii aeriene sau centre medicale. O întrerupere a curentului în astfel de rețele nu numai că reprezintă un pericol pentru informațiile transmise, ci și, de regulă, duce la pierderi financiare semnificative. Instalațiile fiabile și inovatoare de celule de combustie care oferă energie de așteptare oferă fiabilitatea de care aveți nevoie pentru a asigura o putere neîntreruptă.

Unitățile de celule de combustie care funcționează pe un amestec de combustibil lichid de metanol și apă oferă o sursă de alimentare de rezervă fiabilă, cu o durată extinsă, de până la câteva zile. În plus, aceste unități prezintă cerințe de întreținere semnificativ reduse în comparație cu generatoarele și bateriile, necesitând doar o vizită de întreținere pe an.

Caracteristici tipice de aplicare pentru utilizarea instalațiilor de celule de combustie în rețele de date:

• Aplicații cu puteri de intrare de la 100 W la 15 kW
• Aplicații cu cerințe de viață a bateriei > 4 ore
• Repetoare în sistemele cu fibră optică (ierarhia sistemelor digitale sincrone, internet de mare viteză, voce peste IP…)
• Noduri de rețea de transmisie de date de mare viteză
• Noduri de transmisie WiMAX

Instalațiile de așteptare cu pile de combustibil oferă numeroase avantaje pentru infrastructurile critice de rețea de date față de generatoarele tradiționale de baterii sau diesel, permițând o utilizare sporită la fața locului:

1. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema stocării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.
2. Datorită funcționării lor silențioase, greutății reduse, rezistenței la schimbările de temperatură și funcționării practic fără vibrații, pilele de combustibil pot fi instalate în aer liber, în spații industriale/containere sau pe acoperișuri.
3. Pregătirile la fața locului pentru utilizarea sistemului sunt rapide și economice, iar costul de funcționare este scăzut.
4. Combustibilul este biodegradabil și reprezintă o soluție ecologică pentru mediul urban.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de securitate

Cele mai atent proiectate sisteme de securitate și comunicații ale clădirilor sunt la fel de fiabile ca și puterea care le alimentează. În timp ce majoritatea sistemelor includ un tip de sistem de alimentare neîntreruptibil de rezervă pentru pierderile de energie pe termen scurt, ele nu asigură întreruperile mai lungi de curent care pot apărea după dezastre naturale sau atacuri teroriste. Aceasta ar putea fi o problemă critică pentru multe agenții corporative și guvernamentale.

Sistemele vitale precum sistemele de monitorizare CCTV și de control al accesului (cititoare de cărți de identitate, dispozitive de închidere a ușilor, tehnologie de identificare biometrică etc.), sisteme automate de alarmă și stingere a incendiilor, sisteme de control al lifturilor și rețele de telecomunicații, sunt în pericol în absența unei sursă alternativă fiabilă de alimentare continuă cu energie.

Generatoarele diesel sunt zgomotoase, greu de localizat și sunt bine conștiente de problemele de fiabilitate și întreținere ale acestora. În schimb, o instalație de rezervă pentru celule de combustibil este silențioasă, fiabilă, are emisii zero sau foarte scăzute și este ușor de instalat pe acoperiș sau în afara unei clădiri. Nu se descarcă și nu pierde energie în modul de așteptare. Asigură funcționarea continuă a sistemelor critice, chiar și după ce instituția își încetează activitatea și clădirea este abandonată de oameni.

Instalațiile inovatoare de celule de combustibil protejează investițiile costisitoare în aplicații critice. Acestea oferă o putere de rezervă ecologică, fiabilă și de lungă durată (până la multe zile) pentru utilizare în intervalul de putere de la 250 W la 15 kW, combinată cu numeroase caracteristici de neegalat și, mai ales, un nivel ridicat de economisire a energiei.

Unitățile de rezervă pentru alimentarea cu pile de combustibil oferă numeroase avantaje pentru aplicații critice, cum ar fi sistemele de securitate și managementul clădirilor, față de generatoarele tradiționale de baterii sau diesel. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema stocării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în încălzirea locuințelor și generarea de energie electrică

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) sunt folosite pentru a construi centrale termice fiabile, eficiente din punct de vedere energetic și fără emisii, pentru a genera electricitate și căldură din gaze naturale și combustibili regenerabili disponibili pe scară largă. Aceste unități inovatoare sunt utilizate pe o mare varietate de piețe, de la generarea de energie domestică până la alimentarea cu energie până la zone îndepărtate, precum și surse auxiliare de energie.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de distribuție

Centralele termice mici sunt proiectate să funcționeze într-o rețea de generare a energiei distribuite constând dintr-un număr mare de grupuri electrogene mici în loc de o centrală electrică centralizată.

Figura de mai jos arată pierderea eficienței de generare a energiei atunci când aceasta este generată de centralele de cogenerare și transmisă la locuințe prin rețelele tradiționale de transport utilizate în prezent. Pierderile de eficiență în generarea districtuală includ pierderi de la centrala electrică, de transport de joasă și înaltă tensiune și pierderi de distribuție.

În figura sunt prezentate rezultatele integrării centralelor termice mici: electricitatea este generată cu o eficiență de generare de până la 60% la punctul de utilizare. În plus, gospodăria poate folosi căldura generată de celulele de combustie pentru încălzirea apei și a spațiului, ceea ce crește eficiența globală a procesării energiei combustibilului și îmbunătățește economiile de energie.

Utilizarea pilelor de combustie pentru a proteja mediul - Utilizarea gazelor petroliere asociate

Una dintre cele mai importante sarcini din industria petrolului este utilizarea gazelor petroliere asociate. Metodele existente de utilizare a gazelor petroliere asociate prezintă o mulțime de dezavantaje, principalul fiind că nu sunt viabile din punct de vedere economic. Gazul petrolier asociat este ars, ceea ce dăunează mult mediului și sănătății umane.

Centralele inovatoare de căldură și energie cu celule de combustie care utilizează gazul petrolier asociat ca combustibil deschid calea către o soluție radicală și rentabilă la problemele utilizării gazului petrolier asociat.

1. Unul dintre principalele avantaje ale instalațiilor de celule de combustie este că pot funcționa în mod fiabil și durabil pe gazul petrolier asociat cu compoziția variabilă. Datorită reacției chimice fără flacără care stă la baza funcționării celulei de combustie, o reducere a procentului de metan, de exemplu, provoacă doar o reducere corespunzătoare a puterii de ieșire.
2. Flexibilitate în raport cu sarcina electrică a consumatorilor, diferențial, supratensiune de sarcină.
3. Pentru instalarea și racordarea centralelor termice pe pile de combustie, implementarea acestora nu necesită cheltuieli de capital, deoarece Unitățile sunt ușor de montat pe locuri nepregătite în apropierea câmpurilor, sunt ușor de operat, fiabile și eficiente.
4. Automatizarea ridicată și telecomanda modernă nu necesită prezența constantă a personalului la fabrică.
5. Simplitatea și perfecțiunea tehnică a designului: absența pieselor în mișcare, a frecării, a sistemelor de lubrifiere oferă beneficii economice semnificative din funcționarea instalațiilor de celule de combustie.
6. Consum de apă: niciunul la temperaturi ambientale de până la +30 °C și neglijabil la temperaturi mai ridicate.
7. Ieșire apă: niciuna.
8. În plus, centralele termice cu celule de combustibil nu fac zgomot, nu vibrează, nu emite emisii nocive în atmosferă

Pilele de combustibil cu hidrogen transformă energia chimică a combustibilului în energie electrică, ocolind procesele ineficiente, cu pierderi mari de ardere și conversia energiei termice în energie mecanică. Pila de combustibil cu hidrogen este electrochimic dispozitivul ca urmare a arderii „la rece” extrem de eficientă a combustibilului generează direct energie electrică. Celula de combustie hidrogen-aer cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii de celule de combustibil.

Acum opt ani au fost deschise șase pompe de motorină lichidă în Europa de Vest; trebuie să fie două sute până la capăt. Suntem departe de miile de terminale de încărcare rapidă care eclozează peste tot pentru a stimula răspândirea mișcării electrice. Și acolo doare frecarea. Și mai bine anunțăm grafenul.

Bateriile nu au avut ultimul lor cuvânt

Este mai mult decât autonomie, așa că limitarea timpului de încărcare încetinește răspândirea mașinii electrice. Totuși, el a amintit luna aceasta o notă adresată clienților săi că bateriile au o limitare limitată la acest tip de sondă la tensiune foarte mare. Lui Thomas Brachman i se va spune că mai trebuie construită o rețea de distribuție a hidrogenului. Argumentul că mătură mâna, amintind că înmulțirea terminalelor de încărcare rapidă este și ea foarte costisitoare, din cauza secțiunii transversale mari a cablurilor de cupru de înaltă tensiune. „Este mai ușor și mai ieftin să transportați hidrogenul lichefiat cu camionul din rezervoarele îngropate din apropierea locurilor de producție”.

O membrană polimerică conducătoare de protoni separă doi electrozi, un anod și un catod. Fiecare electrod este o placă de carbon (matrice) acoperită cu un catalizator. Pe catalizatorul anod, hidrogenul molecular se disociază și donează electroni. Cationii de hidrogen sunt conduși prin membrană către catod, dar electronii sunt eliberați către circuitul extern, deoarece membrana nu permite trecerea electronilor.

Hidrogenul nu este încă un vector electric pur

În ceea ce privește costul bateriei în sine, care este o informație foarte sensibilă, Thomas Brachmann nu are nicio îndoială că poate fi redus semnificativ pe măsură ce eficiența crește. „Platina este elementul care costă mai mult”. Din păcate, aproape tot hidrogenul provine din surse de energie fosilă. Mai mult decât atât, dihidrogenul este doar un vector de energie, și nu o sursă din care, în timpul producerii sale, se consumă o parte deloc neglijabilă, lichefierea lui, iar apoi transformarea sa în energie electrică.

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

Blocurile de membrană-electrozi sunt fabricate din celule de combustibil cu hidrogen, care sunt elementul generator cheie al sistemului energetic.

Mașina viitorului se comportă ca una adevărată

Echilibrul bateriei este de aproximativ trei ori mai mare, în ciuda pierderilor din cauza încălzirii la șoferi. Din păcate, mașina-minune nu ne va străpunge drumurile, decât în ​​cadrul demonstrațiilor publice. Brachmann, care amintește că liniștea naturală a unei mașini electrice sporește impresia de a trăi într-o lume zgomotoasă. Contra tuturor pronosticelor, pedala de direcție și frână oferă o consistență naturală.

Baterie mică, dar performanță îmbunătățită

Gadgetul se observă, ecranul central împrăștie imaginile camerei plasate în oglinda din dreapta imediat ce este activat semnalizatorul. Majoritatea clienților noștri din SUA nu mai solicită, iar acest lucru ne permite să menținem prețurile scăzute - justifică inginerul șef, care oferă o rată mai mică decât. Chiar merită să vorbim despre o stivă de celule de combustibil, deoarece există 358 care lucrează împreună. Rezervorul principal cu o capacitate de 117 litri, apăsat pe peretele din spate al băncii, interzice plierea acestuia, iar al doilea - 24 litri, este ascuns sub scaun.

Avantajele pilelor de combustie cu hidrogen în comparație cu soluțiile tradiționale:

- intensitate energetică specifică crescută (500 ÷ 1000 W*h/kg),

- interval extins de temperatură de funcționare (-40 0 C / +40 0 C),

- absența unui punct termic, zgomot și vibrații,

- fiabilitatea pornirii la rece

- perioadă de stocare a energiei practic nelimitată (lipsa autodescărcării),

Prima celulă de combustibil în doi timpi

În ciuda dimensiunilor sale compacte, această nouă pilă de combustibil transformă dihidrogenul în electricitate mai rapid și mai bine decât predecesorul său. Acesta furnizează elementele grămadă în oxigen la o rată considerată anterior incompatibilă cu durabilitatea lor. Excesul de apă, care anterior limita debitul, este cel mai bine evacuat. Ca urmare, puterea per element este crescută la jumătate, iar eficiența ajunge la 60%.

Acest lucru se datorează prezenței unei baterii litiu-ion de 1,7 kWh - situată sub scaunele din față, care permite furnizarea de curent suplimentar în timpul accelerațiilor puternice. Fie autonomia prognozei este de 460 km, ceea ce corespunde perfect cu ceea ce susține producătorul.

- capacitatea de a modifica intensitatea energetică a sistemului prin schimbarea numărului de cartușe de combustibil, ceea ce oferă o autonomie aproape nelimitată,

Capacitatea de a furniza aproape orice intensitate rezonabilă de energie a sistemului prin modificarea capacității de stocare a hidrogenului,

- consum mare de energie

- toleranta la impuritatile din hidrogen,

Dar o mie de piese facilitează fluxul de aer și optimizează răcirea. Chiar mai mult decât predecesorul său, acest vehicul electric demonstrează că pila de combustibil este în centrul atenției. O mare provocare pentru industrie și pentru liderii noștri. Între timp, foarte inteligent, cine va ști care dintre celula de combustibil sau baterie va prevala.

O pilă de combustibil este un dispozitiv de conversie a energiei electrochimice care poate genera electricitate sub formă de curent continuu prin combinarea unui combustibil și a unui oxidant într-o reacție chimică pentru a produce un produs rezidual, de obicei oxid de combustibil.

- durata de viata lunga,

- respectarea mediului și zgomotul muncii.

Sisteme de alimentare cu energie pe bază de celule de combustie cu hidrogen pentru UAV:

Instalarea pilelor de combustibil pe vehicule aeriene fără pilotîn loc de bateriile tradiționale, multiplică durata zborului, greutatea sarcinii utile, face posibilă creșterea fiabilității aeronavei, extinderea intervalului de temperatură pentru lansarea și operarea UAV, coborând limita la -40 0С. În comparație cu motoarele cu ardere internă, sistemele de celule de combustie sunt silențioase, fără vibrații, funcționează la temperaturi scăzute, sunt greu de detectat în timpul zborului, nu produc emisii nocive și pot îndeplini eficient sarcini de la supraveghere video până la livrarea sarcinii utile.

Fiecare celulă de combustibil are doi electrozi, unul pozitiv și unul negativ, iar reacția care produce electricitate are loc la electrozi în prezența unui electrolit care transportă particule încărcate de la electrod la electrod, în timp ce electronii circulă în firele exterioare situate între electrozi. pentru a crea electricitate.

Pila de combustibil poate genera energie electrică în mod continuu atâta timp cât se menține debitul necesar de combustibil și oxidant. Unele celule de combustibil produc doar câțiva wați, în timp ce altele pot produce câteva sute de kilowați, în timp ce bateriile mai mici sunt probabil să se găsească în laptopuri și telefoane mobile, dar pilele de combustibil sunt prea scumpe pentru a fi generatoare mici folosite pentru a genera electricitate pentru case și afaceri.

Compoziția sistemului de alimentare cu energie electrică pentru UAV:

Dimensiunile economice ale celulelor de combustie

Utilizarea hidrogenului ca sursă de combustibil implică costuri semnificative. Din acest motiv, hidrogenul este acum o sursă non-economică, în special pentru că pot fi folosite și alte surse mai puțin costisitoare. Costurile de producție a hidrogenului pot varia deoarece reflectă costul resurselor din care este extras.

Surse de combustibil pentru baterie

Pilele de combustie sunt, în general, clasificate în următoarele categorii: pile de combustie cu hidrogen, pile de combustibil organic, pile de combustie metalice și baterii redox. Când hidrogenul este folosit ca sursă de combustibil, energia chimică este convertită în electricitate în timpul procesului de hidroliză inversă pentru a da doar apă și căldură ca deșeuri. Pila de combustibil cu hidrogen este foarte scăzută, dar poate fi mai mult sau mai puțin ridicată în producția de hidrogen, mai ales dacă este produsă din combustibili fosili.

• - baterie cu pile de combustibil,
• - baterie tampon Li-Po pentru a acoperi sarcinile de vârf pe termen scurt,
• - electronice sistem de control ,
• - sistem de combustibil format dintr-un cilindru cu hidrogen comprimat sau o sursă solidă de hidrogen.

Sistemul de combustibil folosește cilindri ușoare și reductoare de mare rezistență pentru a asigura furnizarea maximă de hidrogen comprimat la bord. Este permisă utilizarea diferitelor dimensiuni standard de butelii (de la 0,5 la 25 litri) cu reductoare care asigură debitul necesar de hidrogen.

Bateriile cu hidrogen sunt împărțite în două categorii: baterii cu temperatură joasă și baterii cu temperatură înaltă, unde bateriile cu temperatură înaltă pot folosi și combustibili fosili direct. Acestea din urmă sunt compuse din hidrocarburi precum petrolul sau benzina, alcoolul sau biomasa.

Alte surse de combustibil din baterii includ, dar nu se limitează la, alcooli, zinc, aluminiu, magneziu, soluții ionice și multe hidrocarburi. Alţi agenţi de oxidare includ, dar nu sunt limitaţi la, aer, clor şi dioxid de clor. În prezent, există mai multe tipuri de celule de combustie.

Caracteristicile sistemului de alimentare cu energie electrică pentru UAV:

Încărcătoare portabile pe bază de celule de combustibil cu hidrogen:

Încărcătoarele portabile pe bază de celule de combustibil cu hidrogen sunt dispozitive compacte comparabile ca greutate și dimensiuni cu încărcătoarele de baterii existente și utilizate pe scară largă în lume.

Tehnologia portabilă omniprezentă în lumea modernă trebuie reîncărcată în mod regulat. Sistemele portabile tradiționale sunt practic inutile la temperaturi negative, iar după îndeplinirea funcției, necesită și reîncărcare folosind (rețele electrice), ceea ce le reduce și eficiența și autonomia dispozitivului.

Fiecare moleculă de dihidrogen are 2 electroni. Ionul H trece de la anod la catod și induce un curent electric atunci când un electron este transferat. Cum ar putea arăta celulele de combustie pentru avioane? Astăzi, se efectuează teste pe aeronave pentru a încerca să le zboare folosind o baterie hibridă litiu-ion cu celulă de combustie. Adevăratul câștig al celulei de combustie constă în integritatea sa redusă în greutate: este mai ușoară, ceea ce ajută la reducerea greutății aeronavei și, prin urmare, a consumului de combustibil.

Dar, deocamdată, pilotarea unei aeronave cu celule de combustibil nu este posibilă, deoarece are încă multe dezavantaje. Imaginea unei celule de combustibil. Care sunt dezavantajele unei celule de combustibil? În primul rând, dacă hidrogenul ar fi obișnuit, utilizarea lui în cantități mari ar fi problematică. Într-adevăr, este disponibil nu numai pe Pământ. Se găsește în apa care conține oxigen, amoniac. Prin urmare, este necesar să se efectueze electroliza apei pentru a o obține, iar aceasta nu este încă o metodă utilizată pe scară largă.

Sistemele de celule de combustibil cu hidrogen necesită doar înlocuirea unui cartuş compact de combustibil, după care dispozitivul este imediat gata de funcţionare.

Caracteristicile încărcătoarelor portabile:

Surse de alimentare neîntreruptibile pe bază de celule de combustibil cu hidrogen:

Sistemele de alimentare neîntreruptă bazate pe celule de combustibil cu hidrogen sunt concepute pentru a organiza alimentarea cu energie de rezervă și alimentarea temporară cu energie. Sistemele de alimentare neîntreruptibilă pe bază de celule de combustibil cu hidrogen oferă avantaje semnificative față de soluțiile tradiționale de organizare a alimentării temporare și de rezervă, folosind baterii și generatoare diesel.

Hidrogenul este un gaz și, prin urmare, greu de reținut și transportat. Un alt risc asociat cu utilizarea hidrogenului este riscul de explozie, deoarece este un gaz foarte inflamabil. ceea ce furnizează bateria pentru producția sa la scară largă necesită o sursă diferită de energie, fie că este petrol, gaz sau cărbune, sau energie nucleară, ceea ce face echilibrul său de mediu semnificativ mai rău decât kerosenul și face grămadă, platină, metal, care este chiar mai rar şi mai valoros decât aurul.

Celula de combustibil furnizează energie prin oxidarea combustibilului la anod și reducerea oxidantului la catod. Descoperirea principiului celulei de combustie și primele implementări de laborator folosind acid sulfuric ca electrolit sunt creditate chimistului William Grove.

Caracteristicile sistemului de alimentare neîntreruptibilă:

celule de combustibil este un dispozitiv electrochimic similar cu o celulă galvanică, dar diferă de acesta prin faptul că substanțele pentru reacția electrochimică sunt introduse în el din exterior - în contrast cu cantitatea limitată de energie stocată într-o celulă galvanică sau baterie.

Într-adevăr, celulele de combustie au câteva avantaje: cele care folosesc dihidrogen și dioxid emit doar vapori de apă: deci este o tehnologie curată. Există mai multe tipuri de celule de combustie, în funcție de natura electrolitului, natura combustibilului, oxidarea directă sau indirectă, temperatura de funcționare.

Următorul tabel rezumă principalele caracteristici ale acestor diferite dispozitive. Mai multe programe europene caută alți polimeri, cum ar fi derivații de polibenzimidazol, care sunt mai stabili și mai ieftini. Compactitatea bateriei este, de asemenea, o provocare constantă cu membrane de ordinul a 15-50 µm, anozi de carbon poroși și plăci bipolare din oțel inoxidabil. Durata de viață poate fi, de asemenea, îmbunătățită, deoarece, pe de o parte, urmele de monoxid de carbon de ordinul a câteva părți pe milion în hidrogen sunt adevărate otrăvuri pentru catalizator, iar pe de altă parte, controlul apei din polimer este esențial.

Orez. unu. 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. Ca rezultat al unei reacții chimice, ele transformă hidrogenul și oxigenul în energie electrică. Ca rezultat al acestui proces, se formează apă și se eliberează o cantitate mare de căldură. O celulă de combustibil este foarte asemănătoare cu o baterie care poate fi încărcată și apoi folosită pentru a stoca energie electrică. Inventatorul celulei de combustibil este considerat a fi William R. Grove, care a inventat-o ​​încă din 1839. În această pilă de combustibil, o soluție de acid sulfuric a fost folosită ca electrolit, iar hidrogenul a fost folosit ca combustibil, care s-a combinat cu oxigenul într-un mediu oxidant. Până de curând, celulele de combustie erau folosite doar în laboratoare și pe nave spațiale.

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

Pilele de combustie sunt foarte eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și protoxidul de azot. Singurele emisii din funcționarea celulelor de combustie sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu este emisă deloc dacă este folosit hidrogen pur drept combustibil. Pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Pilele de combustibil 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 de peste 50% și sunt deosebit de eficiente la sarcini mici. Astfel, vehiculele cu celule de combustibil pot deveni (și s-au dovedit deja a fi) mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât vehiculele convenționale în condiții reale de conducere.

Celula de combustibil generează curent electric DC care poate fi folosit pentru a conduce un motor electric, corpuri de iluminat și alte sisteme electrice dintr-un vehicul.

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

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

1. Pile de combustibil alcaline (AFC)

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

Pilele de combustie alcaline sunt printre 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, adică o soluție apoasă de hidroxid de potasiu, conținută într-o matrice poroasă, stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustie, care variază de la 65°C la 220°C. Purtătorul de sarcină din SFC este un ion hidroxid (OH-) care se deplasează de la catod la anod, unde reacționează cu hidrogenul pentru a produce apă și electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxid acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce energie electrică și, ca produs secundar, căldură:

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

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

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

Avantajul SFC este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de fabricat, 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, SFC funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente.

Una dintre caracteristicile SFC 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 SFC este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea funcționând cu hidrogen și oxigen pur.

2. Pile de combustibil topite cu carbonat (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 un procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din combustibili de proces și alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 1960. De atunci, tehnologia de fabricație, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.

Funcționarea RCFC este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit 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 a ionilor 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 călătoresc 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 anodică: 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 abilitatea de a folosi materiale standard (tabla de otel inoxidabil si catalizator de nichel pe electrozi). Căldura reziduală poate fi folosită pentru a produce abur de înaltă presiune. Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au și avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult pentru a ajunge la condiții optime de funcționare, iar sistemul reacționează mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea sistemelor 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 combustibil cu carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse industrial. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

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

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

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, astfel încât aceste pile de combustie 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 (MEFC), în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii trec prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt direcționați de-a lungul unui circuit electric extern și este generat un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

Reacția anodului: 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. În 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 pe pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de căldură și electricitate este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Plantele folosesc monoxid de carbon la o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde foarte mult alegerea combustibilului. Construcția simplă, volatilitatea scăzută a electroliților și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantaje ale unor astfel de celule de combustibil.

Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse industrial. Instalațiile cu o capacitate de 11 MW au trecut testele relevante. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

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

Pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni sunt considerate a fi cel mai bun tip de celule de combustie pentru generarea energiei vehiculelor, 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. Sunt dezvoltate și prezentate instalații pe MOPFC cu putere de la 1 W la 2 kW.

Electrolitul din aceste celule de combustibil este o membrană polimerică solidă (film subțire de plastic). Când este impregnat cu apă, acest polimer trece protoni, dar nu conduce electronii.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, molecula de hidrogen este separată într-un ion de hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, în timp ce electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este alimentat la catod și se combină cu electroni și ionii de hidrogen pentru a forma apă. La electrozi au loc următoarele reacții: Reacția anodică: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReacția catodic: O2 + 2H2O + 4e- => 4OHReacția totală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de pile de combustie, pile de combustie cu o membrană schimbătoare de protoni produc mai multă energie pentru un anumit volum sau greutate al celulei de combustie. 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 păstrați gazele la catod și anod cu un electrolit solid, astfel încât astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de fabricat. Când se folosește un electrolit solid, nu există dificultăți precum orientarea și mai puține probleme din cauza apariției coroziunii, care crește durabilitatea celulei și a componentelor sale.

5. Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pile de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustie cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate varia de la 600°C la 1000°C, ceea ce permite utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără o pre-tratare specială. Pentru a face față acestor temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe bază de ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-). Tehnologia de utilizare a celulelor de combustibil cu oxid solid s-a dezvoltat de la sfârșitul anilor 1950 și are două configurații: plană și tubulară.

Un electrolit solid asigură o tranziție gazoasă ermetică de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină din celulele de combustie de acest tip este ionul de oxigen (О2-). La catod, moleculele de oxigen sunt separate din aer într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt dirijați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacția anodică: 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 celulele de combustie - aproximativ 60%. În plus, temperaturile ridicate de funcționare permit generarea combinată de căldură și energie pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustie de înaltă temperatură cu o turbină creează o celulă de combustie hibridă 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 pentru atingerea condițiilor optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la schimbările în consumul de energie. La astfel de temperaturi de operare ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri din gazeificarea cărbunelui sau gaze reziduale și altele asemenea. De asemenea, această pilă de combustie este excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Module produse industrial cu o putere electrică de ieșire de 100 kW.

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

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

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustie cu membrană de schimb de protoni (MOFEC), 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 și se generează un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacția anodică: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e Reacția catodică: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reacția totală a elementelor: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O anii 1990 și puterea și eficiența lor specifică au fost crescute până la 40%.

Aceste elemente au fost testate în intervalul de temperatură 50-120°C. Datorita temperaturilor scazute de functionare si a nu necesita un convertor, aceste celule de combustibil sunt cel mai bun candidat pentru aplicatii in telefoane mobile si alte produse de larg consum, precum si in motoarele auto. Avantajul lor este și dimensiunile mici.

7. Pile de combustibil cu electrolit polimer (PETE)

În cazul pilelor de combustie cu electroliți polimeri, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care există o conducere a ionilor de apă H2O+ (proton, roșu) este atașat de molecula de apă. Moleculele de apă prezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și pe electrozii de evacuare, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100°C.

8. Pile cu combustibil acid solid (SCFC)

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

9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustie

Caracteristicile celulei de combustie

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de lucru	Eficiență de generare a energiei	Tipul combustibilului	Domeniul de aplicare
				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 explorat
			hidrogen pur	Instalații mici

10. Utilizarea pilelor de combustie în mașini

Ecologia cunoașterii. Știință și tehnologie: Electronicele mobile se îmbunătățesc în fiecare an, devenind mai răspândite și mai accesibile: PDA-uri, laptop-uri, dispozitive mobile și digitale, rame foto etc. Toate acestea sunt reînnoite în mod constant

Celulă de combustibil DIY acasă

Electronica mobilă se îmbunătățește în fiecare an, devenind din ce în ce mai răspândită și mai accesibilă: PDA-uri, laptop-uri, dispozitive mobile și digitale, rame foto etc. Toate acestea sunt actualizate în mod constant cu noi funcții, monitoare mai mari, comunicații wireless, procesoare mai puternice, în timp ce scad în dimensiune.. Tehnologiile de putere, spre deosebire de tehnologia semiconductoarelor, nu merg cu pasi.

Bateriile și acumulatorii disponibili pentru a alimenta realizările industriei devin insuficiente, așa că problema surselor alternative este foarte acută. Pilele de combustie sunt de departe cea mai promițătoare direcție. Principiul funcționării lor a fost descoperit în 1839 de William Grove, care a generat electricitate prin schimbarea electroliza apei.

Ce sunt pilele de combustibil?

Video: documentar, pile de combustie pentru transport: trecut, prezent, viitor

Pilele de combustie sunt de interes pentru producătorii de mașini, iar creatorii de nave spațiale sunt, de asemenea, interesați de ele. În 1965, au fost chiar testați de America pe Gemini 5 lansat în spațiu, iar mai târziu pe Apollo. Milioane de dolari sunt investite în cercetarea celulelor de combustie și astăzi, când există probleme asociate cu poluarea mediului, creșterea emisiilor de gaze cu efect de seră din arderea combustibililor fosili, ale căror rezerve nu sunt, de asemenea, nesfârșite.

O celulă de combustibil, denumită adesea generator electrochimic, funcționează în modul descris mai jos.

Fiind, ca și acumulatorii și bateriile, o celulă galvanică, dar cu diferența că substanțele active sunt depozitate în ea separat. Aceștia vin la electrozi pe măsură ce sunt utilizați. Combustibilul natural sau orice substanță obținută din acesta arde pe electrodul negativ, care poate fi gazos (hidrogen, de exemplu, și monoxid de carbon) sau lichid, precum alcoolii. La electrodul pozitiv, de regulă, oxigenul reacționează.

Dar un principiu de acțiune cu aspect simplu nu este ușor de transpus în realitate.

Celulă de combustibil DIY

Din păcate, nu avem fotografii cu cum ar trebui să arate acest element de combustibil, sperăm pentru imaginația dumneavoastră.

O celulă de combustibil de putere redusă cu propriile mâini poate fi realizată chiar și într-un laborator școlar. Este necesar să vă aprovizionați cu o mască de gaz veche, mai multe bucăți de plexiglas, alcali și o soluție apoasă de alcool etilic (mai simplu, vodcă), care va servi drept „combustibil” pentru celula de combustie.

În primul rând, aveți nevoie de o carcasă pentru celula de combustie, care este cel mai bine realizată din plexiglas, cu o grosime de cel puțin cinci milimetri. Pereții despărțitori interioare (cinci compartimente în interior) pot fi făcute puțin mai subțiri - 3 cm. Pentru lipirea plexiglasului se folosește adeziv din următoarea compoziție: șase grame de așchii de plexiglas sunt dizolvate în o sută de grame de cloroform sau dicloroetan (lucrează sub hotă). ).

În peretele exterior, acum este necesar să găuriți o gaură în care trebuie să introduceți un tub de sticlă de scurgere cu un diametru de 5-6 centimetri printr-un dop de cauciuc.

Toată lumea știe că în tabelul periodic din colțul din stânga jos sunt cele mai active metale, iar metaloizii cu activitate mare sunt în tabelul din colțul din dreapta sus, adică. capacitatea de a dona electroni crește de sus în jos și de la dreapta la stânga. Elementele care, în anumite condiții, se pot manifesta sub formă de metale sau metaloizi se află în centrul mesei.

Acum, în al doilea și al patrulea compartiment, turnăm cărbune activ din masca de gaz (între primul despărțitor și al doilea, precum și al treilea și al patrulea), care va acționa ca electrozi. Pentru ca cărbunele să nu se reverse prin găuri, acesta poate fi plasat într-o țesătură de nailon (ciorapii de nailon pentru femei vor fi de folos).

Combustibilul va circula în prima cameră, în a cincea ar trebui să existe un furnizor de oxigen - aer. Între electrozi va exista un electrolit și, pentru a preveni scurgerea acestuia în camera de aer, este necesar să-l înmuiați cu o soluție de parafină în benzină (raportul de 2 grame de parafină la jumătate de pahar de benzină) înainte de a umple a patra cameră cu cărbune pentru electrolit de aer. Pe un strat de cărbune trebuie să puneți (ușor presate) plăci de cupru, la care firele sunt lipite. Prin intermediul acestora, curentul va fi deviat de la electrozi.

Rămâne doar încărcarea elementului. Pentru aceasta, este nevoie de vodca, care trebuie diluată cu apă în 1: 1. Apoi adăugați cu grijă trei sute până la trei sute cincizeci de grame de potasiu caustic. Pentru electrolit, 70 de grame de potasiu caustic sunt dizolvate în 200 de grame de apă.

Celula de combustie este gata de testare. Acum trebuie să turnați simultan combustibil în prima cameră și electroliți în a treia. Un voltmetru atașat la electrozi ar trebui să arate de la 07 la 0,9 volți. Pentru a asigura funcționarea continuă a elementului, este necesar să scurgeți combustibilul uzat (scurgeți într-un pahar) și adăugați combustibil nou (printr-un tub de cauciuc). Viteza de avans este controlată prin strângerea tubului. Așa arată funcționarea unei celule de combustibil în condiții de laborator, a cărei putere este de înțeles mică.

Pentru a crește puterea, oamenii de știință au lucrat la această problemă de mult timp. Pilele de combustibil cu metanol și etanol sunt amplasate pe oțelul de dezvoltare activă. Dar, din păcate, până acum nu există nicio modalitate de a le pune în practică.

De ce este aleasă pila de combustibil ca sursă alternativă de energie

O pilă de combustie a fost aleasă ca sursă alternativă de energie, deoarece produsul final al arderii hidrogenului în ea este apa. Problema constă doar în găsirea unei modalități ieftine și eficiente de a produce hidrogen. Fondurile colosale investite în dezvoltarea generatoarelor de hidrogen și pilelor de combustie nu pot să nu dea roade, așa că o descoperire tehnologică și utilizarea lor reală în viața de zi cu zi este doar o chestiune de timp.

Deja astăzi, monștrii industriei auto: General Motors, Honda, Dreimler Coisler, Ballard, demonstrează autobuze și mașini care funcționează cu celule de combustie cu o putere de până la 50 kW. Dar, problemele asociate cu siguranța, fiabilitatea, costul lor - nu au fost încă rezolvate. După cum sa menționat deja, spre deosebire de sursele de energie tradiționale - baterii și baterii, în acest caz, oxidantul și combustibilul sunt furnizate din exterior, iar pila de combustibil este doar un intermediar în reacția continuă de a arde combustibilul și de a transforma energia eliberată în energie electrică. . „Arderea” are loc numai dacă elementul dă curent sarcinii, ca un generator electric diesel, dar fără generator și motorină și, de asemenea, fără zgomot, fum și supraîncălzire. În același timp, eficiența este mult mai mare, deoarece nu există mecanisme intermediare.

Se pun mari speranțe în utilizarea nanotehnologiilor și a nanomaterialelor, care vor ajuta la miniaturizarea celulelor de combustibil, sporind în același timp puterea acestora. Au existat rapoarte că au fost creați catalizatori ultraeficienți, precum și modele de celule de combustibil care nu au membrane. În ele, împreună cu oxidant, combustibilul (metan, de exemplu) este furnizat elementului. Sunt interesante soluțiile, unde oxigenul dizolvat în apă este folosit ca agent oxidant, iar impuritățile organice acumulate în apele poluate sunt folosite drept combustibil. Acestea sunt așa-numitele celule de biocombustibil.

Pilele de combustibil, potrivit experților, pot intra pe piața de masă în următorii ani. publicat

Alăturați-vă nouă la

Proprietarii brevetului RU 2379795:

Invenţia se referă la pile de combustie cu alcool cu ​​acţiune directă care utilizează electroliţi acizi solizi şi catalizatori de reformare intern. Rezultatul tehnic al invenției este creșterea puterii specifice și a tensiunii elementului. Conform invenţiei, celula de combustibil include un anod, un catod, un electrolit acid solid, un strat de difuzie a gazului şi un catalizator de reformare intern. Catalizatorul de reformare intern poate cuprinde orice reformator adecvat și este adiacent anodului. În această configurație, căldura generată în reacțiile exoterme pe catalizatorul celulei de combustie și încălzirea ohmică a electrolitului celulei de combustie este forța motrice pentru reacția de reformare a combustibilului endotermic pentru a transforma combustibilul alcoolic în hidrogen. Este posibil să utilizați orice combustibil alcoolic, cum ar fi metanol sau etanol. 5 n. și 20 z.p. f-ly, 4 ill.

Domeniul tehnic

Invenţia se referă la pile de combustie cu alcool cu ​​acţiune directă care utilizează electroliţi acizi solizi.

De ultimă oră

Alcoolurile au fost recent supuse unei examinări intense ca potențiali combustibili. Alcoolii precum metanolul și etanolul sunt deosebit de dezirabili ca combustibili, deoarece au energii specifice de cinci până la șapte ori mai mari decât hidrogenul comprimat standard. De exemplu, un litru de metanol este echivalent energetic cu 5,2 litri de hidrogen comprimat la 320 atm. În plus, un litru de etanol este echivalent energetic cu 7,2 litri de hidrogen comprimat la 350 atm. Astfel de alcooli sunt de asemenea de dorit deoarece sunt ușor de manipulat, depozitat și transportat.

Metanolul și etanolul au făcut obiectul multor cercetări în ceea ce privește combustibilii alcoolici. Etanolul poate fi obținut din fermentarea plantelor care conțin zahăr și amidon. Metanolul poate fi obținut din gazeificarea lemnului sau a deșeurilor de lemn/cereale (paie). Cu toate acestea, sinteza metanolului este mai eficientă. Acești alcooli, printre altele, sunt resurse regenerabile și, prin urmare, se așteaptă ca aceștia să joace un rol important atât în ​​reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră, cât și în reducerea dependenței de combustibilii fosili.

Pilele de combustie au fost propuse ca dispozitive care convertesc energia chimică a unor astfel de alcooli în energie electrică. În acest sens, celulele de combustie cu alcool cu ​​acțiune directă cu membrane electrolitice polimerice au fost supuse unor cercetări intense. Mai exact, au fost studiate celulele de combustie cu metanol direct și pilele de combustibil cu etanol direct. Cu toate acestea, cercetările privind pilele de combustibil cu etanol direct au fost limitate din cauza dificultății relative de oxidare a etanolului în comparație cu oxidarea metanolului.

În ciuda acestor eforturi extinse de cercetare, performanța pilelor de combustie cu alcool cu ​​acțiune directă rămâne nesatisfăcătoare, în principal din cauza limitărilor cinetice impuse de catalizatorii cu electrozi. De exemplu, celulele de combustibil cu metanol cu ​​acţiune directă tipice au o densitate de putere de aproximativ 50 mW/cm2. Au fost obținute niveluri de putere specifice mai mari, de exemplu 335 mW/cm 2 , dar numai în condiții extrem de dure (Nafion®, 130°C, oxigen 5 atm și metanol 1 M pentru un debit de 2 cc/min la o presiune de 1,8 atm). În mod similar, o pilă de combustibil cu etanol direct are o densitate de putere de 110 mW/cm2 în condiţii similare extrem de dure (Nafion® silice, 140°C, anod 4 atm, oxigen 5,5 atm). În consecinţă, este nevoie de celule de combustie cu alcool cu ​​acţiune directă, având densităţi mari de putere în absenţa unor astfel de condiţii extreme.

Scurt rezumat al invenției

Prezenta invenţie se referă la pile de combustibil cu alcool care conţin electroliţi acizi solizi şi care utilizează un catalizator de reformare intern. O celulă de combustie include în general un anod, un catod, un electrolit acid solid și un reformator intern. Reformatorul prevede reformarea combustibilului alcoolic pentru a produce hidrogen. Forța motrice din spatele reacției de reformare este căldura generată în timpul reacțiilor exoterme din pila de combustibil.

Utilizarea electroliților acizi solizi în pila de combustie face posibilă plasarea reformatorului direct adiacent anodului. Acest lucru nu a fost considerat posibil anterior din cauza temperaturilor ridicate necesare pentru funcționarea eficientă a materialelor de reformare cunoscute și a sensibilității la căldură a membranelor electrolitice polimerice tipice. Cu toate acestea, în comparație cu membranele electrolitice polimerice convenționale, electroliții acizi solizi pot rezista la temperaturi mult mai ridicate, ceea ce face posibilă plasarea reformatorului adiacent anodului și, prin urmare, aproape de electrolit. În această configurație, căldura reziduală generată de electrolit este absorbită de reformator și conduce reacția de reformare endotermă.

Scurtă descriere a desenelor

Acestea și alte caracteristici și avantaje ale prezentei invenții vor fi mai bine înțelese la citirea următoarei descrieri detaliate, luate împreună cu desenele însoțitoare, în care:

Figura 1 este o reprezentare schematică a unei celule de combustie conform unui exemplu de realizare a prezentei invenţii;

Figura 2 este o comparaţie grafică a curbelor dintre densitatea de putere şi tensiunea celulei pentru celulele de combustie obţinute conform Exemplelor 1 şi 2 şi Exemplului Comparativ 1;

Figura 3 este o comparaţie grafică a curbelor dintre densitatea de putere şi tensiunea celulei pentru celulele de combustie obţinute conform Exemplelor 3, 4 şi 5 şi Exemplului Comparativ 2; și

Figura 4 este o comparație grafică a curbelor dintre densitatea de putere și tensiunea celulei pentru celulele de combustie obținute în conformitate cu exemplele comparative 2 și 3.

Descrierea detaliată a invenției

Prezenta invenție se referă la pile de combustie cu alcool direct care conțin electroliți acizi solizi și care utilizează un catalizator de reformare intern în contact fizic cu un ansamblu electrod cu membrană (MEA) conceput pentru a reforma combustibilul alcoolic pentru a produce hidrogen. După cum s-a menționat mai sus, performanța pilelor de combustie care transformă energia chimică din alcooli direct în energie electrică rămâne nesatisfăcătoare din cauza limitărilor cinetice impuse de catalizatorii cu electrozi pentru celulele de combustibil. Cu toate acestea, este bine cunoscut faptul că aceste limite cinetice sunt mult reduse atunci când se utilizează combustibil cu hidrogen. în consecinţă, prezenta invenţie foloseşte un catalizator de reformare sau un reformator pentru reformarea unui combustibil alcoolic în hidrogen, reducând sau eliminând astfel limitările cinetice asociate combustibilului alcoolic. Combustibilii alcoolici sunt reformați cu abur conform următoarelor exemple de reacție:

Metanol la hidrogen: CH3OH+H20→3H2+C02;

Etanol la hidrogen: C2H5OH+3H20→6H2+2CO2.

Cu toate acestea, reacția de reformare este foarte endotermă. Prin urmare, reformatorul trebuie încălzit pentru a obține forța motrice pentru reacția de reformare. Cantitatea de căldură necesară este de obicei de aproximativ 59 kJ per mol de metanol (echivalent cu arderea a aproximativ 0,25 moli de hidrogen) și aproximativ 190 kJ per mol de etanol (echivalent cu arderea a aproximativ 0,78 moli de hidrogen).

Ca urmare a trecerii curentului electric în timpul funcționării celulelor de combustibil, se generează căldură reziduală, a cărei îndepărtare eficientă este problematică. Cu toate acestea, generarea acestei călduri reziduale face ca plasarea reformatorului direct lângă pila de combustie o alegere naturală. O astfel de configuraţie face posibilă alimentarea cu hidrogen de la reformator la celula de combustie şi răcirea celulei de combustie şi permite celulei de combustie să încălzească reformatorul şi să genereze o forţă motrice pentru reacţiile în acesta. Această configurație este utilizată în celulele de combustibil cu carbonat topit și pentru reacțiile de reformare a metanului la o temperatură de aproximativ 650°C. Totuşi, reacţiile de reformare a alcoolului au loc în general la temperaturi cuprinse între aproximativ 200°C şi aproximativ 350°C şi nu a fost încă dezvoltată nicio pilă de combustibil adecvată pentru reformarea alcoolului.

Prezenta invenţie se referă la o astfel de pilă de combustie care utilizează reformarea alcoolului. Așa cum este ilustrat în FIGURA 1, o pilă de combustie 10 conform prezentei invenții include în general un prim strat colector de curent/difuzie de gaz 12, un anod 12a, un al doilea colector de curent/strat de difuzie a gazului 14, un catod 14a, un electrolit 16 și un catalizator de reformare intern 18. Catalizator de reformare intern 18 plasat adiacent anodului 12a. Mai precis, catalizatorul de reformare 18 este plasat între primul strat de difuzie a gazului 12 şi anodul 12a. Poate fi utilizat orice catalizator de reformare adecvat cunoscut 18. Exemple nelimitative de catalizatori de reformare adecvați includ amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al, amestecuri de oxizi Cu-Co-Zn-Al și amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al-Zr. .

Poate fi utilizat orice combustibil alcoolic, cum ar fi metanol, etanol și propanol. În plus, dimetil eterul poate fi folosit ca combustibil.

Din punct de vedere istoric, această configurație nu a fost considerată posibilă pentru celulele de combustie cu alcool din cauza naturii endoterme a reacției de reformare și a sensibilității electrolitului la căldură. Pilele de combustie cu alcool tipice folosesc membrane electrolitice polimerice care nu pot rezista la căldura necesară pentru a antrena catalizatorul de reformare. Cu toate acestea, electroliții utilizați în celulele de combustie din prezenta invenție conțin electroliți acizi solizi, cum ar fi cei descriși în brevetul SUA în curs de cerere de brevet SUA 10/139043, intitulată MEMBRANĂ CONDUCTORĂ DE PROTONI UTILIZARE UN ACID SOLID, întregul conținut al cărora este de asemenea încorporat. aici prin referire. Un exemplu nelimitator de acid solid adecvat pentru utilizare ca electrolit în prezenta invenţie este CsH2P04. Electroliții acizi solizi utilizați în celulele de combustie din această invenție pot rezista la temperaturi mult mai ridicate, ceea ce face posibilă plasarea catalizatorului de reformare direct adiacent anodului. În plus, reacția de reformare endotermă consumă căldura generată în reacțiile exoterme din pila de combustie, formând un sistem echilibrat termic.

Acești acizi solizi sunt utilizați în fazele lor superprotonice și acționează ca membrane conductoare de protoni într-un interval de temperatură de la aproximativ 100°C până la aproximativ 350°C. Capătul superior al acestui interval de temperatură este ideal pentru reformarea metanolului. Pentru a genera suficientă căldură pentru a genera o forţă motrice pentru reacţia de reformare şi pentru a asigura conductivitatea protonului electrolitului acid solid, celula de combustie din prezenta invenţie este de preferinţă operată la temperaturi cuprinse între aproximativ 100°C şi aproximativ 500°C. Totuşi, este mai preferat să se opereze pila de combustie la temperaturi cuprinse între aproximativ 200°C şi aproximativ 350°C. Pe lângă îmbunătățirea semnificativă a performanței pilelor de combustie cu alcool, temperaturile de funcționare relativ ridicate ale celulelor de combustie cu alcool conform invenției pot permite înlocuirea catalizatorilor metalici scumpi, cum ar fi Pt/Ru și Pt la anod și, respectiv, la catod, cu mai puține materiale catalizatoare scumpe.

Următoarele exemple şi exemple comparative ilustrează performanţa superioară a celulelor de combustie cu alcool conform invenţiei. Totuşi, aceste exemple sunt prezentate doar în scop ilustrativ şi nu trebuie considerate ca limitând invenţia la aceste exemple.

Exemplul 1 Pilă de combustie cu metanol

S-au folosit 13 mg/cm2 Pt/Ru ca electrocatalizator anodic. Cu (30% în greutate) - Zn (20% în greutate) - Al a fost utilizat ca catalizator de reformare intern. S-a folosit 15 mg/cm2 Pt ca electrocatalizator catod. Electrolitul folosit a fost o membrană CsH 2 PO 4 cu o grosime de 160 μm. Amestecuri aburite de metanol și apă au fost introduse în spațiul anodic la un debit de 100 μl/min. 30% oxigen umidificat a fost aplicat catodului la un debit de 50 cm3/min (temperatura si presiune standard). Raportul metanol:apă a fost 25:75. Temperatura elementului a fost setată la 260°C.

Exemplul 2 Pilă de combustie cu etanol

S-au folosit 13 mg/cm2 Pt/Ru ca electrocatalizator anodic. Cu (30% în greutate) - Zn (20% în greutate) - Al a fost utilizat ca catalizator de reformare intern. S-a folosit 15 mg/cm2 Pt ca electrocatalizator catod. Electrolitul folosit a fost o membrană CsH 2 PO 4 cu o grosime de 160 μm. Amestecuri aburite de etanol și apă au fost introduse în spațiul anodic la un debit de 100 μl/min. 30% oxigen umidificat a fost aplicat catodului la un debit de 50 cm3/min (temperatura si presiune standard). Raportul etanol:apă a fost 15:85. Temperatura elementului a fost setată la 260°C.

Exemplul comparativ 1 Pilă de combustie folosind H2 pur

S-au folosit 13 mg/cm2 Pt/Ru ca electrocatalizator anodic. S-a folosit 15 mg/cm2 Pt ca electrocatalizator catod. Electrolitul folosit a fost o membrană CsH 2 PO 4 cu o grosime de 160 μm. 3% hidrogen umidificat a fost furnizat în spațiul anodic la un debit de 100 pl/min. 30% oxigen umidificat a fost aplicat catodului la un debit de 50 cm3/min (temperatura si presiune standard). Temperatura elementului a fost setată la 260°C.

Figura 2 prezintă curbele dintre densitatea de putere și tensiunea celulei pentru Exemplele 1 și 2 și Exemplul Comparativ 1. După cum se arată, pila de combustibil cu metanol (Exemplul 1) atinge o densitate de putere de vârf de 69 mW/cm celula atinge o densitate de putere de vârf de 53 mW /cm2 și o pilă de combustibil cu hidrogen (Exemplul comparativ 1) atinge o densitate de putere de vârf de 80

mW/cm2. Aceste rezultate arată că celulele de combustie produse conform Exemplului 1 și Exemplului Comparativ 1 sunt foarte asemănătoare, ceea ce indică faptul că pila de combustie cu metanol având reformatorul prezintă performanțe aproape la fel de bune ca cele ale celulei de combustibil cu hidrogen, ceea ce reprezintă o îmbunătățire semnificativă. Totuși, așa cum se arată în următoarele exemple și exemple comparative, prin reducerea grosimii electrolitului, se obține o creștere suplimentară a densității de putere.

Celula de combustie a fost realizată prin depunerea în suspensie de CsH2PO4 pe un suport poros din oțel inoxidabil care a servit atât ca strat de difuzie a gazului, cât și ca colector de curent. Stratul de electrocatalizator catodic a fost mai întâi depus pe stratul de difuzie a gazului și apoi presat înainte ca stratul de electrolit să fie depus. După aceea, a fost depus un strat de electrocatalizator anodic, urmat de plasarea unui al doilea electrod de difuzie a gazului ca strat final al structurii.

Ca electrod anod, un amestec de CsH2PO4, Pt (50% în greutate atomică Ru, Pt (40% în greutate) - Ru (20% în greutate) depus pe C (40% în greutate) și naftalină a fost folosit. Raportul componentelor dintr-un amestec de CsH2PO4:Pt-Ru:Pt-Ru-C:naftalină a fost 3:3:1:0,5 (greutate). Amestecul a fost utilizat într-o cantitate totală de 50 mg. Download Pt și Ru au fost 5,6 mg/cm2 și, respectiv, 2,9 mg/cm2. Aria electrodului anodului a fost egală cu 1,74 cm 2 .

Ca electrod catodic a folosit un amestec de CsH2P04, Pt, Pt (50% în greutate), depus pe C (50% în greutate) și naftalină. Raportul componentelor dintr-un amestec de CsH2PO4:Pt:Pt-C:naftalină a fost 3:3:1:1 (greutate). Amestecul a fost utilizat într-o cantitate totală de 50 mg. Încărcările de Pt au fost de 7,7 mg/cm2. Aria catodului a fost egală cu 2,3-2,9 cm 1 .

Ca catalizator de reformare s-a folosit CuO (30% în greutate) - ZnO (20% în greutate) - Al203 adică CuO (31% mol.) - ZnO (16% mol.) - Al203. Catalizatorul de reformare a fost preparat printr-un proces de co-precipitare folosind o soluție de azotat de cupru, zinc și aluminiu (concentrația totală de metal a fost de 1 mol/l) și o soluție apoasă de carbonați de sodiu (1,1 mol/l). Precipitatul a fost spălat cu apă deionizată, filtrat şi uscat în aer la 120°C timp de 12 ore. Pulberea uscată în cantitate de 1 g s-a presat ușor până la o grosime de 3,1 mm și un diametru de 15,6 mm și apoi s-a calcinat la 350°C timp de 2 ore.

Electrolitul folosit a fost o membrană CsH 2 PO 4 cu o grosime de 47 μm.

O soluție de metanol-apă (43% vol. sau 37% în greutate sau 25% mol. sau 1,85 M metanol) a fost alimentată printr-un evaporator de sticlă (200°C) la un debit de 135 pl/min. Temperatura elementului a fost setată la 260°C.

Celula de combustie a fost preparată în conformitate cu exemplul 3 de mai sus, cu excepția faptului că prin evaporator (200°C) la un debit de 114 μl/min a fost alimentat nu un amestec de metanol-apă, ci un amestec de etanol-apă ( 36% vol. sau 31% din masă sau 15% mol. sau 0,98 M etanol).

Celula de combustie a fost preparată în conformitate cu exemplul 3 de mai sus, cu excepția faptului că la un debit de 100 μl/min, vodca (Absolut Vodka, Suedia) (40% vol. sau 34% greutate, sau 17% mol.) furnizat în locul unui amestec de metanol-apă .etanol).

Exemplul comparativ 2

O celulă de combustie a fost preparată în conformitate cu Exemplul 3 de mai sus, cu excepţia faptului că a fost folosit hidrogen uscat la 100 sccm umezit cu apă fierbinte (70°C) în loc de metanol-apă.

Exemplul comparativ 3

O celulă de combustie a fost preparată în conformitate cu Exemplul 3 de mai sus, cu excepţia faptului că nu a fost utilizat nici un catalizator de reformare şi temperatura celulei a fost setată la 240°C.

Exemplul comparativ 4

O celulă de combustibil a fost preparată în conformitate cu Exemplul Comparativ 2, cu excepţia faptului că temperatura celulei a fost setată la 240°C.

Figura 3 prezintă curbele între densitatea de putere și tensiunea celulei pentru Exemplele 3, 4 și 5 și Exemplul Comparativ 2. După cum se arată, pila de combustibil cu metanol (Exemplul 3) atinge o densitate de putere de vârf de 224 mW/cm2, ceea ce reprezintă o creștere semnificativă. putere specifică comparativ cu pila de combustie obţinută conform exemplului 1 şi având un electrolit mult mai gros. Această pilă de combustie cu metanol arată, de asemenea, o îmbunătățire dramatică a performanței față de celulele de combustie cu metanol care nu folosesc un reformator intern, ceea ce este mai bine demonstrat în Figura 4. Pila de combustie cu etanol (Exemplul 4) arată, de asemenea, o densitate de putere și o tensiune crescută a celulei în comparație cu un pila de combustibil cu etanol.avand o membrana electrolit mai groasa (exemplul 2). Totuși, așa cum se arată, pila de combustie cu metanol (Exemplul 3) are performanțe mai bune decât pila de combustibil cu etanol (Exemplul 4). Pentru o celulă de combustie cu vodcă (Exemplul 5), se obțin puteri specifice care sunt comparabile cu cele ale unei celule de combustibil cu etanol. Așa cum se arată în Figura 3, pila de combustie cu metanol (Exemplul 3) prezintă o performanță care este aproximativ la fel de bună ca cea a celulei de combustie cu hidrogen (Exemplul comparativ 2).

Figura 4 prezintă curbele densității puterii față de tensiunea celulei pentru exemplele comparative 3 și 4. După cum se arată, o pilă de combustibil cu metanol fără reformator (Exemplul comparativ 3) atinge densități de putere semnificativ mai mici decât cele obținute cu celula de combustibil cu hidrogen (exemplul comparativ 4). În plus, figurile 2, 3 și 4 arată că, în comparație cu o pile de combustibil cu metanol fără reformator (Exemplul comparativ 3), se obțin densități de putere semnificativ mai mari pentru pilele de combustibil cu metanol cu ​​reformatoare (Exemplele 1 și 3).

Descrierea de mai sus a fost prezentată pentru a introduce exemplele de realizare preferate în prezent ale invenţiei. Persoanele de specialitate în domeniul și tehnologia relevante la care se referă această invenție trebuie să înțeleagă că modificările și modificările pot fi făcute la exemplele de realizare descrise fără a se abate substanțial de la principiile, scopul și spiritul acestei invenții. în consecinţă, descrierea de mai sus nu trebuie considerată ca referindu-se doar la exemplele de realizare specifice descrise, ci mai degrabă ar trebui să fie înţeleasă ca fiind în concordanţă cu următoarele revendicări, care conţin scopul cel mai deplin şi cel mai obiectiv al invenţiei.

1. O celulă de combustie cuprinzând: un strat electrocatalitic anodic, un strat electrocatalitic catodic, un strat electrolit care conține un acid solid, un strat de difuzie gazoasă și un catalizator de reformare intern dispus adiacent stratului electrocatalitic anodic astfel încât catalizatorul de reformare intern să fie situat între stratul electrocatalitic anodic și stratul de difuzie a gazului și este în contact fizic cu stratul electrocatalitic anodic.

2. Pilă de combustie conform revendicării 1, în care electrolitul acid solid conţine CsH2P04.

3. Pilă de combustie conform revendicării 1, în care catalizatorul de reformare este selectat din grupul constând din amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al, amestecuri de oxizi Cu-Co-Zn-Al şi amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al-Zr.

4. O metodă de operare a unei pile de combustibil, inclusiv:





alimentare cu combustibil; şi operarea celulei de combustie la o temperatură în intervalul de la aproximativ 100°C până la aproximativ 500°C.

5. Metodă conform revendicării 4, în care combustibilul este alcool.

6. Metodă conform revendicării 4, în care combustibilul este selectat din grupul constând din metanol, etanol, propanol şi dimetil eter.

7. Metodă conform revendicării 4, în care pila de combustie este operată la o temperatură în intervalul de la aproximativ 200°C până la aproximativ 350°C.

8. Procedeu conform revendicării 4, în care catalizatorul de reformare este selectat din grupul constând din amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al, amestecuri de oxizi Cu-Co-Zn-Al şi amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al-Zr.

9. Metodă conform revendicării 4, în care electrolitul conţine un acid solid.

10. Metodă conform revendicării 9, în care acidul solid conţine CsH2P04.

11. O metodă de operare a unei pile de combustibil, inclusiv:
formarea unui strat electrocatalitic anodic;
formarea unui strat electrocatalitic catod;
formarea unui strat de electrolit care conține un acid solid;
formarea unui strat de difuzie gazoasă şi
formarea unui catalizator de reformare intern adiacent stratului electrocatalitic anodic, astfel încât catalizatorul de reformare intern să fie dispus între stratul electrocatalitic anodic şi stratul de difuzie a gazului şi să fie în contact fizic cu stratul electrocatalitic anodic;
alimentare cu combustibil; şi operarea celulei de combustie la o temperatură în intervalul de la aproximativ 200°C până la aproximativ 350°C.

12. Metodă conform revendicării 11, în care combustibilul este alcool.

13. Metodă conform revendicării 11, în care combustibilul este selectat din grupul constând din metanol, etanol, propanol şi dimetil eter.

14. Procedeu conform revendicării 11, în care catalizatorul de reformare este selectat din grupul constând din amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al, amestecuri de oxizi Cu-Co-Zn-Al şi amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al-Zr.

15. Metodă conform revendicării 11, în care electrolitul conţine un acid solid.

16. Metodă conform revendicării 15, în care acidul solid conţine CsH2P04.

17. O metodă de operare a unei pile de combustibil, inclusiv:
formarea unui strat electrocatalitic anodic;
formarea unui strat electrocatalitic catod;
formarea unui strat de electrolit care conține un acid solid;
formarea unui strat de difuzie gazoasă şi
formarea unui catalizator de reformare intern adiacent stratului electrocatalitic anodic, astfel încât catalizatorul de reformare intern să fie dispus între stratul electrocatalitic anodic şi stratul de difuzie a gazului şi să fie în contact fizic cu stratul electrocatalitic anodic;
furnizarea de combustibil alcoolic; şi operarea celulei de combustie la o temperatură în intervalul de la aproximativ 100°C până la aproximativ 500°C.

18. Metodă conform revendicării 17, în care combustibilul este selectat din grupul constând din metanol, etanol, propanol şi dimetil eter.

19. Metodă conform revendicării 17, în care pila de combustie este operată la o temperatură în intervalul de la aproximativ 200°C până la aproximativ 350°C.

20. Procedeu conform revendicării 17, în care catalizatorul de reformare este selectat din grupul constând din amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al, amestecuri de oxizi Cu-Co-Zn-Al şi amestecuri de oxizi Cu-Zn-Al-Zr.

21. Metodă conform revendicării 17, în care electrolitul acid solid conţine CsH2P04.

22. O metodă de operare a unei pile de combustibil, inclusiv:
formarea unui strat electrocatalitic anodic;
formarea unui strat electrocatalitic catod;
formarea unui strat de electrolit care conține un acid solid;
formarea unui strat de difuzie gazoasă şi
formarea unui catalizator de reformare intern adiacent stratului electrocatalitic anodic, astfel încât catalizatorul de reformare intern să fie dispus între stratul electrocatalitic anodic şi stratul de difuzie a gazului şi să fie în contact fizic cu stratul electrocatalitic anodic;
furnizarea de combustibil alcoolic; şi operarea celulei de combustie la o temperatură în intervalul de la aproximativ 200°C până la aproximativ 350°C.

Invenția se referă la pile de combustie cu alcool cu ​​acțiune directă care utilizează electroliți acizi solizi și catalizatori interni de reformare.