celule de combustibil Pilele de combustibil sunt surse de energie chimică. Ele realizează conversia directă a energiei combustibilului în energie electrică, ocolind procesele de ardere ineficiente, cu pierderi mari. Acest dispozitiv electrochimic, ca rezultat al arderii „la rece” extrem de eficientă a combustibilului, generează direct electricitate.
Biochimiștii au stabilit că o celulă de combustibil biologică hidrogen-oxigen este „încorporată” în fiecare celulă vie (vezi capitolul 2).
Sursa de hidrogen din organism este alimentele - grăsimile, proteinele și carbohidrații. În stomac, intestine și celule, se descompune în cele din urmă în monomeri, care, la rândul lor, după o serie de transformări chimice, dau hidrogen atașat de molecula purtătoare.
Oxigenul din aer intră în sânge prin plămâni, se combină cu hemoglobina și este transportat în toate țesuturile. Procesul de combinare a hidrogenului cu oxigenul stă la baza bioenergeticii organismului. Aici, în condiții blânde (temperatura camerei, presiune normală, mediu acvatic), energia chimică cu randament ridicat este transformată în termică, mecanică (mișcarea mușchilor), electricitate (rampa electrică), lumină (insecte emitând lumină).
Omul a repetat încă o dată dispozitivul de obținere a energiei create de natură. În același timp, acest fapt indică perspectivele direcției. Toate procesele din natură sunt foarte raționale, așa că pașii către utilizarea reală a celulelor de combustie inspiră speranță pentru viitorul energetic.
Descoperirea în 1838 a unei celule de combustibil hidrogen-oxigen îi aparține omului de știință englez W. Grove. Cercetând descompunerea apei în hidrogen și oxigen, el a descoperit un efect secundar - electrolizorul producea un curent electric.
Ce arde într-o celulă de combustibil?
Combustibilii fosili (cărbune, gaz și petrol) sunt în mare parte carbon. În timpul arderii, atomii de combustibil pierd electroni, iar atomii de oxigen din aer îi câștigă. Deci, în procesul de oxidare, atomii de carbon și oxigen sunt combinați în produse de ardere - molecule de dioxid de carbon. Acest proces este viguros: atomii și moleculele substanțelor implicate în ardere capătă viteze mari, iar acest lucru duce la creșterea temperaturii lor. Încep să emită lumină - apare o flacără.
Reacția chimică a arderii carbonului are forma:
C + O2 = CO2 + căldură
În procesul de ardere, energia chimică este transformată în energie termică datorită schimbului de electroni între atomii combustibilului și oxidant. Acest schimb are loc aleatoriu.
Arderea este schimbul de electroni între atomi, iar curentul electric este mișcarea dirijată a electronilor. Dacă, în procesul unei reacții chimice, electronii sunt forțați să lucreze, atunci temperatura procesului de ardere va scădea. În FC, electronii sunt prelevați din reactanții de la un electrod, renunță la energia lor sub formă de curent electric și se unesc reactanților la celălalt.
Baza oricărui HIT este doi electrozi conectați printr-un electrolit. O celulă de combustie constă dintr-un anod, un catod și un electrolit (vezi cap. 2). Se oxidează la anod, adică donează electroni, agentul reducător (combustibil CO sau H2), electronii liberi din anod intră în circuitul extern, iar ionii pozitivi sunt reținuți la interfața anod-electrolit (CO+, H+). De la celălalt capăt al lanțului, electronii se apropie de catod, pe care are loc reacția de reducere (adăugarea de electroni de către agentul oxidant O2–). Ionii oxidanți sunt apoi transportați de electrolit la catod.
În FC, sunt reunite trei faze ale sistemului fizico-chimic:
gaz (combustibil, oxidant);
electrolit (conductor de ioni);
electrod metalic (conductor de electroni).
În celulele de combustie, energia reacției redox este convertită în energie electrică, iar procesele de oxidare și reducere sunt separate spațial de un electrolit. Electrozii și electrolitul nu participă la reacție, dar în modelele reale devin contaminate cu impurități de combustibil în timp. Arderea electrochimică poate avea loc la temperaturi scăzute și practic fără pierderi. Pe fig. p087 arată situația în care un amestec de gaze (CO și H2) pătrunde în celula de combustie, adică. poate arde combustibil gazos (vezi cap. 1). Astfel, TE se dovedește a fi „omnivor”.
Utilizarea pilelor de combustie este complicată de faptul că combustibilul trebuie „pregătit” pentru ele. Pentru celulele de combustie, hidrogenul este obținut prin conversia combustibilului organic sau gazeificarea cărbunelui. Prin urmare, schema structurală a unei centrale electrice pe o pilă de combustie, pe lângă bateriile celulei de combustibil, convertorul DC-AC (vezi Capitolul 3) și echipamentele auxiliare, include o unitate de producție a hidrogenului.
Două direcții de dezvoltare a FC
Există două domenii de aplicare a pilelor de combustie: energia autonomă și la scară largă.
Pentru utilizarea autonomă, caracteristicile specifice și ușurința în utilizare sunt principalele. Costul energiei generate nu este principalul indicator.
Pentru producția mare de energie, eficiența este un factor decisiv. In plus, instalatiile trebuie sa fie durabile, sa nu contina materiale scumpe si sa utilizeze combustibili naturali cu costuri minime de pregatire.
Cele mai mari beneficii sunt oferite de utilizarea celulelor de combustie într-o mașină. Aici, ca nicăieri altundeva, compactitatea pilelor de combustibil va avea efect. Odată cu primirea directă a energiei electrice din combustibil, economisirea acestuia din urmă va fi de aproximativ 50%.
Pentru prima dată, ideea utilizării pilelor de combustie în ingineria energetică la scară largă a fost formulată de omul de știință german W. Oswald în 1894. Mai târziu, a fost dezvoltată ideea creării de surse eficiente de energie autonomă pe baza unei celule de combustie.
După aceea, s-au făcut încercări repetate de a folosi cărbunele ca substanță activă în celulele de combustie. În anii 1930, cercetătorul german E. Bauer a creat un prototip de laborator al unei celule de combustibil cu un electrolit solid pentru oxidarea anodică directă a cărbunelui. În același timp, au fost studiate pilele de combustie oxigen-hidrogen.
În 1958, în Anglia, F. Bacon a creat prima centrală de oxigen-hidrogen cu o capacitate de 5 kW. Dar a fost greoi din cauza utilizării presiunii mari a gazului (2 ... 4 MPa).
Din 1955, K. Kordesh dezvoltă celule de combustibil cu oxigen-hidrogen la temperatură joasă în SUA. Au folosit electrozi de carbon cu catalizatori de platină. În Germania, E. Yust a lucrat la crearea de catalizatori non-platină.
După 1960, au fost create mostre demonstrative și de publicitate. Prima aplicație practică a celulelor de combustibil a fost găsită pe nava spațială Apollo. Acestea erau principalele centrale electrice pentru alimentarea echipamentelor de la bord și asigurau astronauților apă și căldură.
Principalele domenii de utilizare pentru instalațiile off-grid FC au fost aplicațiile militare și navale. La sfârșitul anilor 1960, volumul cercetărilor privind pilele de combustie a scăzut, iar după anii 1980 a crescut din nou în raport cu energia la scară largă.
VARTA a dezvoltat FC-uri folosind electrozi de difuzie a gazului cu două fețe. Electrozii de acest tip se numesc „Janus”. Siemens a dezvoltat electrozi cu densitate de putere de până la 90 W/kg. În Statele Unite, lucrările asupra celulelor oxigen-hidrogen sunt efectuate de United Technology Corp.
În industria energetică la scară largă, utilizarea pilelor de combustie pentru stocarea energiei pe scară largă, de exemplu, producția de hidrogen (vezi cap. 1), este foarte promițătoare. (soarele și vântul) sunt împrăștiate (vezi cap. 4). Utilizarea lor serioasă, care este indispensabilă în viitor, este de neconceput fără baterii încăpătoare care stochează energia într-o formă sau alta.
Problema acumulării este deja actuală astăzi: fluctuațiile zilnice și săptămânale ale sarcinii sistemelor de alimentare reduc semnificativ eficiența acestora și necesită așa-numitele capacități de manevrare. Una dintre opțiunile pentru stocarea energiei electrochimice este o pilă de combustie în combinație cu electrolizoare și suporturi de gaz*.
* Suport de gaz [gaz + engleză. suport] - depozitare pentru cantități mari de gaz.
Prima generație de TE
Pilele de combustie cu temperatura medie de prima generatie, functionand la temperatura de 200...230°C pe combustibil lichid, gaz natural sau hidrogen tehnic*, au atins cea mai mare perfectiune tehnologica. Electrolitul din ele este acidul fosforic, care umple matricea poroasă de carbon. Electrozii sunt fabricați din carbon, iar catalizatorul este platină (platina este folosită în cantități de ordinul câtorva grame per kilowatt de putere).
* Hidrogenul comercial este un produs de conversie a combustibililor fosili care conține impurități minore de monoxid de carbon.
O astfel de centrală a fost pusă în funcțiune în statul California în 1991. Este format din optsprezece baterii cu o greutate de 18 tone fiecare și este plasat într-o carcasă cu un diametru de puțin peste 2 m și o înălțime de aproximativ 5 m. Procedura de înlocuire a bateriei a fost gândită folosind o structură de cadru care se deplasează de-a lungul șinelor.
Statele Unite au livrat Japoniei două centrale electrice. Primul dintre ele a fost lansat la începutul anului 1983. Performanța operațională a stației a corespuns celor calculate. Ea a lucrat cu o sarcină de 25 până la 80% din valoarea nominală. Eficiența a ajuns la 30...37% - aceasta este aproape de centralele termice mari moderne. Timpul său de pornire dintr-o stare rece este de la 4 ore la 10 minute, iar durata schimbării puterii de la zero la maxim este de doar 15 secunde.
Acum, în diferite părți ale Statelor Unite, sunt testate mici centrale termice și electrice combinate cu o capacitate de 40 kW cu un factor de utilizare a combustibilului de aproximativ 80%. Pot încălzi apa până la 130°C și sunt amplasate în spălătorii, complexe sportive, puncte de comunicare etc. Aproximativ o sută de instalații au funcționat deja pentru un total de sute de mii de ore. Ecologicul centralelor FC permite ca acestea să fie amplasate direct în orașe.
Prima centrală cu combustibil din New York, cu o capacitate de 4,5 MW, a ocupat o suprafață de 1,3 hectare. Acum, pentru centralele noi cu o capacitate de două ori și jumătate mai mare, este nevoie de un șantier de 30x60 m. Se construiesc mai multe centrale electrice demonstrative cu o capacitate de 11 MW. Timpul de construcție (7 luni) și suprafața (30x60 m) ocupată de centrală sunt izbitoare. Durata de viață estimată a noilor centrale electrice este de 30 de ani.
A doua și a treia generație TE
Cele mai bune caracteristici sunt deja proiectate centrale modulare cu o capacitate de 5 MW cu celule de combustie de temperatură medie de a doua generație. Acestea funcționează la temperaturi de 650...700°C. Anozii lor sunt fabricați din particule sinterizate de nichel și crom, catozii sunt fabricați din aluminiu sinterizat și oxidat, iar electrolitul este un amestec de carbonați de litiu și potasiu. Temperatura ridicată ajută la rezolvarea a două probleme electrochimice majore:
reduce „otrăvirea” catalizatorului cu monoxid de carbon;
crește eficiența procesului de reducere a oxidantului la catod.
Pilele de combustie la temperatură înaltă din a treia generație cu un electrolit de oxizi solizi (în principal dioxid de zirconiu) vor fi și mai eficiente. Temperatura lor de funcționare este de până la 1000°C. Eficiența centralelor electrice cu astfel de celule de combustie este aproape de 50%. Aici, produsele de gazeificare a cărbunelui cu un conținut semnificativ de monoxid de carbon sunt, de asemenea, potrivite ca combustibil. La fel de important, căldura reziduală de la instalațiile de înaltă temperatură poate fi folosită pentru a produce abur pentru a antrena turbinele generatoarelor electrice.
Vestingaus este în domeniul pilelor de combustibil cu oxid solid din 1958. Dezvolta centrale electrice cu o capacitate de 25 ... 200 kW, in care se poate folosi combustibil gazos din carbune. Sunt pregătite pentru testare instalații experimentale cu o capacitate de câțiva megawați. O altă firmă americană, Engelgurd, proiectează pile de combustibil de 50 kW care funcționează cu metanol cu acid fosforic ca electrolit.
Din ce în ce mai multe firme din întreaga lume sunt implicate în crearea pilelor de combustie. American United Technology și japonezul Toshiba au format International Fuel Cells Corporation. În Europa, consorțiul belgiano-olandez Elenko, compania vest-germană Siemens, italianul Fiat și britanicul Jonson Metju sunt angajați în pile de combustie.
Victor LAVRUS.
Dacă ți-a plăcut acest material, atunci îți oferim o selecție a celor mai bune materiale de pe site-ul nostru conform cititorilor noștri. Puteți găsi o selecție - TOP despre tehnologii ecologice, noi științe și descoperiri științifice acolo unde este cel mai convenabil pentru dvs
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.
Descriere:
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 combustibil hidrogen-aer cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii de combustibil. elemente.
O membrană polimerică conducătoare de protoni separă cei doi electrozi, anodul și catodul. 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.
Pe catalizatorul catod, o moleculă de oxigen se combină cu un electron (care este furnizat din circuitul electric) și un proton care intră 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.
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 de căldură, zgomot și vibrații,
– fiabilitatea pornirii la rece
– perioadă de stocare a energiei practic nelimitată (fără autodescărcare),
– 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 energetică rezonabilă a sistemului prin modificarea capacității de stocare a hidrogenului;
– consum mare de energie
- toleranta la impuritatile din hidrogen,
– durata de viata lunga,
- prietenos cu mediul și funcționare fără zgomot.
Aplicație:
– sisteme de alimentare pentru UAV-uri,
– încărcătoare portabile,
– surse de alimentare neîntreruptibile,
– Alte dispozitive.
Pilă de combustibil cu hidrogen Nissan
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 constant cu noi funcții, monitoare mai mari, comunicații wireless, procesoare mai puternice, în scădere în timp ce 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.
Video: documentar, pile de combustie pentru transport: trecut, prezent, viitor
Pilele de combustibil 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
Video: pilă de combustie cu hidrogen 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 ridicată 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). LA
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 vodcă, 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.
Video: Celulă de combustie sau baterie eternă acasă
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 celulă 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 Koisler, Ballard prezintă 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.
Video: Mașină cu pile de combustibil cu hidrogen
Se pun mari speranțe în utilizarea nanotehnologiilor și a nanomaterialelor, care va ajuta la miniaturizarea celulelor de combustibil, crescând 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
celule de combustibil- ce este? Când și cum a apărut? De ce este nevoie și de ce se vorbește atât de des despre ele în timpul nostru? Care sunt domeniul de aplicare, caracteristicile și proprietățile sale? Progresul de neoprit necesită răspunsuri la toate aceste întrebări!
Ce este o pilă de combustibil?
celule de combustibil- aceasta este o sursă de curent chimic sau un generator electrochimic, acesta este un dispozitiv pentru transformarea energiei chimice în energie electrică. În viața modernă, sursele de curent chimic sunt folosite peste tot și sunt bateriile pentru telefoane mobile, laptopuri, PDA-uri, precum și bateriile din mașini, surse de alimentare neîntreruptibile etc. Următoarea etapă în dezvoltarea acestei zone va fi distribuția pe scară largă a pilelor de combustie, iar acesta este un fapt incontestabil.
Istoria pilelor de combustibil
Istoria celulelor de combustibil este o altă poveste a modului în care proprietățile materiei, odată descoperite pe Pământ, au fost utilizate pe scară largă în spațiu, iar la începutul mileniului s-au întors din cer pe Pământ.
Totul a început în 1839 când chimistul german Christian Schönbein a publicat principiile celulei de combustie în Jurnalul Filosofic. În același an, un englez, absolvent de la Oxford, William Robert Grove, a proiectat o celulă galvanică, numită mai târziu celula galvanică Grove, care este recunoscută și ca prima celulă de combustibil. Însuși numele „pilei de combustie” a fost dat invenției în anul aniversării acesteia - în 1889. Ludwig Mond și Karl Langer sunt autorii termenului.
Puțin mai devreme, în 1874, Jules Verne, în The Mysterious Island, a prezis situația energetică actuală, scriind că „Apa va fi folosită într-o zi ca combustibil, hidrogenul și oxigenul, din care este compusă, vor fi folosite”.
Între timp, noua tehnologie de alimentare cu energie a fost îmbunătățită treptat, iar începând cu anii 50 ai secolului XX, nu a trecut un an fără anunțul celor mai recente invenții în acest domeniu. În 1958, primul tractor alimentat cu celule de combustibil a apărut în Statele Unite, în 1959. A fost lansată sursa de alimentare de 5KW pentru mașina de sudură etc. În anii 70, tehnologia hidrogenului a luat amploare în spațiu: motoarele de avioane și rachete au apărut pe hidrogen. În anii 1960, RSC Energia a dezvoltat elemente de combustibil pentru programul lunar sovietic. Nici programul Buran nu s-a descurcat fără ele: au fost dezvoltate pile de combustie alcaline de 10 kW. Și spre sfârșitul secolului, celulele de combustie au traversat altitudinea zero deasupra nivelului mării - pe baza lor, s-au dezvoltat alimentare cu energie electrică submarin german. Revenind pe Pământ, în 2009 a fost pusă în funcțiune prima locomotivă în SUA. Desigur, pe celulele de combustibil.
În toată istoria frumoasă a pilelor de combustibil, ceea ce este interesant este că roata este încă invenția de neegalat a omenirii în natură. Chestia este că celulele de combustie sunt similare în structura și principiul lor de funcționare cu o celulă biologică, care, de fapt, este o celulă de combustibil miniaturală hidrogen-oxigen. Drept urmare, omul a inventat din nou ceea ce natura folosește de milioane de ani.
Principiul de funcționare a pilelor de combustibil
Principiul de funcționare a celulelor de combustibil este evident chiar și din programa școlară în chimie și el a fost cel care a fost stabilit în experimentele lui William Grove în 1839. Chestia este că procesul de electroliză a apei (disociarea apei) este reversibil. Așa cum este adevărat că atunci când un curent electric este trecut prin apă, acesta din urmă este împărțit în hidrogen și oxigen, la fel este și inversul: hidrogenul și oxigenul pot fi combinați pentru a produce apă și electricitate. În experimentul lui Grove, doi electrozi au fost plasați într-o cameră în care au fost furnizate sub presiune porțiuni limitate de hidrogen pur și oxigen. Datorită volumelor mici de gaz, precum și datorită proprietăților chimice ale electrozilor de carbon, a avut loc o reacție lentă în cameră cu eliberare de căldură, apă și, cel mai important, cu formarea unei diferențe de potențial între electrozii.
Cea mai simplă pilă de combustie constă dintr-o membrană specială folosită ca electrolit, pe ambele părți ale căreia sunt aplicați electrozi sub formă de pulbere. Hidrogenul intră pe o parte (anod), iar oxigenul (aerul) intră pe cealaltă (catod). Fiecare electrod are o reacție chimică diferită. La anod, hidrogenul se descompune într-un amestec de protoni și electroni. În unele celule de combustibil, electrozii sunt înconjurați de un catalizator, de obicei realizat din platină sau alte metale nobile, pentru a ajuta la reacția de disociere:
2H 2 → 4H + + 4e -
unde H2 este o moleculă de hidrogen biatomic (forma în care hidrogenul este prezent sub formă de gaz); H + - hidrogen ionizat (proton); e - - electron.
Pe partea catodică a celulei de combustie, protonii (trecuți prin electrolit) și electronii (care au trecut prin sarcina externă) se recombină și reacționează cu oxigenul furnizat catodului pentru a forma apă:
4H + + 4e - + O2 → 2H2O
Reacția generalăîn celula de combustibil se scrie după cum urmează:
2H2 + O2 → 2H2O
Funcționarea unei celule de combustibil se bazează pe faptul că electrolitul trece protoni prin el însuși (spre catod), dar electronii nu. Electronii se deplasează spre catod de-a lungul circuitului conductor exterior. Această mișcare a electronilor este curentul electric care poate fi folosit pentru a alimenta un dispozitiv extern conectat la celula de combustie (o sarcină cum ar fi un bec):
În activitatea lor, celulele de combustie folosesc combustibil hidrogen și oxigen. Cea mai ușoară cale este cu oxigenul - este luat din aer. Hidrogenul poate fi furnizat direct dintr-un anumit recipient sau prin separarea acestuia de o sursă externă de combustibil (gaz natural, benzină sau alcool metilic - metanol). În cazul unei surse externe, aceasta trebuie convertită chimic pentru a extrage hidrogenul. În prezent, majoritatea tehnologiilor de celule de combustibil dezvoltate pentru dispozitive portabile folosesc metanol.
Caracteristicile celulei de combustie
funcționează doar atâta timp cât combustibilul și oxidantul sunt furnizate dintr-o sursă externă (adică nu pot stoca energie electrică);
compoziția chimică a electrolitului nu se modifică în timpul funcționării (pila de combustibil nu trebuie reîncărcată),
sunt complet independente de electricitate (în timp ce bateriile convenționale stochează energie de la rețea).
Pilele de combustie sunt analoge bateriilor existente in sensul ca in ambele cazuri energia electrica se obtine din energie chimica. Dar există și diferențe fundamentale:
Fiecare celulă de combustibil creează tensiune in 1V. Se obține mai multă tensiune prin conectarea lor în serie. Creșterea puterii (curentului) se realizează printr-o conexiune paralelă a cascadelor de celule de combustibil conectate în serie.
Pentru pile de combustibil fără limită de eficiență, ca și în motoarele termice (eficiența ciclului Carnot este randamentul maxim posibil dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime).
Eficiență ridicată realizat prin conversia directă a energiei combustibilului în energie electrică. Dacă combustibilul este ars mai întâi în grupuri electrogene diesel, aburul sau gazul rezultat transformă o turbină sau un arbore de motor cu ardere internă, care la rândul său transformă un generator electric. Rezultatul este o eficiență de maxim 42%, mai des este de aproximativ 35-38%. Mai mult, din cauza numeroaselor legături, precum și din cauza limitărilor termodinamice ale eficienței maxime a motoarelor termice, este puțin probabil ca eficiența existentă să fie crescută mai mult. Pentru celulele de combustibil existente Eficiența este de 60-80%,
Eficienta aproape nu depinde de factorul de sarcină,
Capacitatea este de câteva ori mai mare decât bateriile existente
Complet fără emisii nocive pentru mediu. Sunt emise doar vapori de apă curați și energie termică (spre deosebire de generatoarele diesel, care au emisii poluante și necesită îndepărtarea acestora).
Tipuri de celule de combustibil
celule de combustibil clasificate din următoarele motive:
după combustibilul utilizat
presiunea și temperatura de lucru,
după natura cererii.
În general, există următoarele tipuri de celule de combustibil:
Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC);
Pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (Proton-exchange membrane fuel cell - PEMFC);
Celulă de combustie reversibilă (RFC);
Pilă de combustie cu metanol direct (Pilă de combustie cu metanol direct - DMFC);
Celulă de combustie cu carbonat topit (Molten-carbonate fuel cells - MCFC);
Pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC);
Pile de combustibil alcaline (AFC).
Unul dintre tipurile de celule de combustibil care funcționează la temperaturi și presiuni normale folosind hidrogen și oxigen sunt elementele cu membrană schimbătoare de ioni. Apa rezultată nu dizolvă electrolitul solid, curge în jos și este ușor îndepărtată.
Probleme cu celulele de combustie
Principala problemă a pilelor de combustie este legată de nevoia de hidrogen „ambalat”, care ar putea fi achiziționat gratuit. Evident, problema ar trebui rezolvată în timp, dar până acum situația provoacă un ușor zâmbet: ce este mai întâi - puiul sau oul? Pilele de combustie nu sunt încă suficient de avansate pentru a construi centrale cu hidrogen, dar progresul lor este de neconceput fără aceste plante. Aici remarcăm și problema sursei de hidrogen. Hidrogenul este produs în prezent din gaze naturale, dar costurile în creștere ale energiei vor crește și prețul hidrogenului. În același timp, prezența CO și H 2 S (hidrogen sulfurat) este inevitabilă în hidrogenul din gazul natural, care otrăvește catalizatorul.
Catalizatorii obișnuiți de platină folosesc un metal foarte scump și de neînlocuit în natură - platina. Cu toate acestea, această problemă este planificată să fie rezolvată prin utilizarea catalizatorilor pe bază de enzime, care sunt o substanță ieftină și ușor de produs.
Căldura este, de asemenea, o problemă. Eficiența va crește brusc dacă căldura generată este direcționată către un canal util - pentru a produce energie termică pentru sistemul de alimentare cu căldură, pentru a o folosi ca căldură reziduală în absorbție mașini frigorifice etc.
Pile de combustie cu metanol (DMFC): aplicație reală
Pilele de combustie cu metanol direct (DMFC) sunt de cel mai mare interes practic astăzi. Un laptop Portege M100 care rulează pe o celulă de combustibil DMFC arată astfel:
Un circuit DMFC tipic conține, pe lângă anod, catod și membrană, mai multe componente suplimentare: un cartuș de combustibil, un senzor de metanol, o pompă de circulație a combustibilului, o pompă de aer, un schimbător de căldură etc.
Timpul de funcționare, de exemplu, al unui laptop în comparație cu bateriile este planificat să fie mărit de 4 ori (până la 20 de ore), un telefon mobil - până la 100 de ore în modul activ și până la șase luni în modul de așteptare. Reîncărcarea se va face prin adăugarea unei porții de metanol lichid.
Sarcina principală este de a găsi opțiuni pentru utilizarea soluției de metanol cu cea mai mare concentrație. Problema este că metanolul este o otravă destul de puternică, letală în doze de câteva zeci de grame. Dar concentrația de metanol afectează direct durata muncii. Dacă anterior s-a folosit o soluție de metanol de 3-10%, atunci au apărut deja telefoanele mobile și PDA-uri care folosesc o soluție de 50%, iar în 2008, în condiții de laborator, MTI MicroFuel Cells și, puțin mai târziu, Toshiba, au obținut pile de combustie care funcționează. pe metanol pur.
Pilele de combustibil sunt viitorul!
În sfârșit, faptul că organizația internațională IEC (International Electrotechnical Commission), care definește standardele industriale pentru dispozitivele electronice, a anunțat deja crearea unui grup de lucru pentru elaborarea unui standard internațional pentru pilele de combustie miniaturale, vorbește despre marele viitor evident al combustibilului. celule.
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, celulele de combustie sunt acum din ce în ce mai folosite într-o varietate de domenii - ca centrale electrice staționare, surse autonome de căldură și energie pentru clădiri, motoare de vehicule, surse 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 o baterie, o celulă de combustibil folosește combustibil furnizat dintr-o sursă externă pentru a genera 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, experții 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 au fost 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 combustie 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 alimentare. 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 |
|||||||||||||||
|
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 împreună 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 pregătire 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 electricitate 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 a pilelor de combustibil
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 - , sunt transformați 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 o pilă de combustie depinde de tipul celulei de combustie, dimensiunile geometrice, temperatură, presiunea gazului. O singură celulă de combustie 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 combustie - 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 energie termică, 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 gamă largă de dispozitive diferite, 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 |
||||||||||||||||||||
|
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).
Electrolitul folosit în aceste celule de combustibil este o soluție de acid fosforic. 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 genera 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, ele se disting prin eficiența ridicată a conversiei 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 o zonă similară 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.
