Mitä polttokennot ovat?

Mobiili elektroniikka on joka vuosi, ellei kuukausi, yhä helpommin saatavana ja yleistynyt. Täällä on kannettavia tietokoneita ja kämmentietokoneita, digitaalikameroita ja matkapuhelimia sekä paljon kaikenlaisia ​​hyödyllisiä laitteita. Ja kaikki nämä laitteet hankkivat jatkuvasti uusia ominaisuuksia, tehokkaampia prosessoreita, suuria värinäyttöjä, langatonta viestintää, samalla kun niiden koko pienenee. Mutta toisin kuin puolijohdeteknologiat, kaiken tämän liikkuvan menagerien tehotekniikat eivät kulje harppauksin.

Perinteiset ladattavat paristot ja akut eivät selvästikään riitä virtaamaan elektroniikkateollisuuden uusimpaan kehitykseen huomattavan määrän aikaa. Ja ilman luotettavia ja tilavia akkuja, koko liikkuvuuden ja langattomuuden merkitys menetetään. Joten tietokoneteollisuus työskentelee entistä aktiivisemmin ongelman ratkaisemiseksi vaihtoehtoiset virtalähteet. Ja lupaavin suunta on tänään polttokennot.

Brittiläinen tutkija Sir William Grove löysi polttokennojen toiminnan perusperiaatteen vuonna 1839. Hänet tunnetaan polttokennon isänä. William Grove tuotti sähköä vaihtamalla veden elektrolyysi vedyn ja hapen uuttamiseksi. Irrotettuaan akun elektrolyyttisestä kennosta Grove yllättyi huomatessaan, että elektrodit alkoivat absorboida vapautunutta kaasua ja tuottaa virtaa. Prosessin avaaminen vedyn sähkökemiallinen kylmäpoltto energia-alan tapahtumasta tuli merkittävä, ja tulevaisuudessa sellaisilla tunnetuilla sähkökemisteillä kuin Ostwald ja Nernst oli suuri rooli polttokennojen teoreettisen perustan ja käytännön toteutuksen kehittämisessä ja ennustettiin heille suurta tulevaisuutta.

itse termi "polttokenno" (polttokenno) ilmestyi myöhemmin - sitä ehdottivat vuonna 1889 Ludwig Mond ja Charles Langer, jotka yrittivät luoda laitteen sähkön tuottamiseksi ilmasta ja hiilikaasusta.

Normaalin palamisen aikana happi hapettaa fossiilisia polttoaineita, ja polttoaineen kemiallinen energia muuntuu tehottomasti lämpöenergiaksi. Mutta osoittautui mahdolliseksi suorittaa hapetusreaktio, esimerkiksi vety hapen kanssa, elektrolyyttiväliaineessa ja elektrodien läsnä ollessa sähkövirran saamiseksi. Esimerkiksi syöttämällä vetyä alkalisessa väliaineessa sijaitsevalle elektrodille, saamme elektroneja:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

joka menee ulkoisen piirin läpi vastakkaiselle elektrodille, johon happea menee sisään ja missä reaktio tapahtuu: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Voidaan nähdä, että tuloksena oleva reaktio 2H2 + O2 → H2O on sama kuin normaalin palamisen aikana, mutta polttokennossa tai muuten sähkökemiallinen generaattori, osoittautuu, että sähkövirta on korkea hyötysuhde ja osittain lämpöä. Huomaa, että hiiltä, ​​hiilimonoksidia, alkoholeja, hydratsiinia, muita orgaanisia aineita voidaan käyttää myös polttoaineena polttokennoissa, ja hapettavina aineina voidaan käyttää ilmaa, vetyperoksidia, klooria, bromia, typpihappoa jne.

Polttokennojen kehitys jatkui voimakkaasti sekä ulkomailla että Venäjällä ja edelleen Neuvostoliitossa. Niistä tutkijoista, jotka ovat antaneet suuren panoksen polttokennojen tutkimukseen, mainitaan V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Viime vuosisadan puolivälissä alkoi uusi hyökkäys polttokenno-ongelmiin. Tämä johtuu osittain uusien ideoiden, materiaalien ja tekniikoiden syntymisestä puolustustutkimuksen tuloksena.

Yksi tutkijoista, jotka ottivat merkittävän askeleen polttokennojen kehittämisessä, oli P. M. Spiridonov. Spiridonovin vety-happielementit antoi virrantiheyden 30 mA / cm2, jota pidettiin tuolloin suurena saavutuksena.40-luvulla O. Davtyan loi laitoksen kivihiilen kaasuttamisella saadun generaattorikaasun sähkökemialliseen polttamiseen. Jokaisella kuutiometrillä elementtitilavuudelta Davtyan sai 5 kW tehoa.

Se oli ensimmäinen kiinteän elektrolyytin polttokenno. Sillä oli korkea hyötysuhde, mutta ajan myötä elektrolyytistä tuli käyttökelvoton, ja se oli vaihdettava. Myöhemmin, 50-luvun lopulla, Davtyan loi voimakkaan asennuksen, joka veti traktorin. Noina samoina vuosina englantilainen insinööri T. Bacon suunnitteli ja rakensi polttokennoakun, jonka kokonaiskapasiteetti oli 6 kW ja hyötysuhde 80%, ja joka toimi puhtaalla vedyllä ja hapella, mutta tehon ja akun painon suhde oli liian pieni - tällaiset elementit eivät olleet sopivia käytännölliseen käyttöön ja liian rakkaat ystävät.

Seuraavina vuosina yksinäisten aika on ohittanut. Avaruusalusten luojat kiinnostuivat polttokennoista. 60-luvun puolivälistä lähtien miljoonia dollareita on investoitu polttokennotutkimukseen. Tuhansien tutkijoiden ja insinöörien työn avulla päästiin uudelle tasolle, ja vuonna 1965. polttokennot testattiin Yhdysvalloissa Gemini 5 -aluksen päällä ja myöhemmin Apollon aluksilla kuuhun ja Shuttle-ohjelman puitteissa.

Neuvostoliitossa NPO Kvant kehitti polttokennoja myös avaruudessa käytettäväksi. Noina vuosina uusia materiaaleja ilmestyi jo - ioninvaihtokalvoihin perustuvat kiinteät polymeerielektrolyytit, uudentyyppiset katalyytit, elektrodit. Ja silti, työvirran tiheys oli pieni - alueella 100-200 mA / cm2, ja elektrodien platinapitoisuus oli useita g / cm2. Kestävyyteen, vakauteen ja turvallisuuteen liittyi monia ongelmia.

Seuraava polttokennojen nopean kehityksen vaihe alkoi 90-luvulla. viime vuosisadalla ja jatkuu nyt. Se johtuu uusien tehokkaiden energialähteiden tarpeesta, joka johtuu toisaalta fossiilisten polttoaineiden poltosta johtuvien kasvihuonekaasupäästöjen lisääntyvästä maailmanlaajuisesta ympäristöongelmasta ja toisaalta tällaisten polttoaineiden kulutuksesta. Koska vesi on polttokennon vedyn palamisen lopputuote, niitä pidetään ympäristövaikutusten kannalta puhtaimpana. Suurin ongelma on vain löytää tehokas ja edullinen tapa tuottaa vetyä.

Miljardien taloudellisten investointien avulla polttokennojen ja vetygeneraattorien kehittämiseen pitäisi johtaa tekninen läpimurto ja tehdä niiden käytöstä arjessa todellisuutta: matkapuhelinkennoissa, autoissa, voimalaitoksissa. Automobiot, kuten Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, demonstroivat jo autoja ja linja-autoja, jotka toimivat 50 kW: n polttokennoilla. Useat yritykset ovat kehittyneet kiinteän polttoaineen elektrolyyttipolttokennojen esittelylaitokset, joiden teho on enintään 500 kW. Mutta huolimatta merkittävästä läpimurtosta polttokennojen suorituskyvyn parantamisessa, monet kustannukset, luotettavuus ja turvallisuus liittyvät ongelmat on vielä ratkaistava.

Polttokennossa, toisin kuin paristoissa ja akuissa, sekä polttoainetta että hapetinta syötetään siihen ulkopuolelta. Polttokenno on vain välittäjä reaktiossa ja ihanteellisissa olosuhteissa se voisi toimia melkein ikuisesti. Tämän tekniikan kauneus on se itse asiassa polttoaine poltetaan elementissä ja vapautuva energia muunnetaan suoraan sähköksi. Polttoaineen suoralla palamisella se hapetetaan hapolla, ja tässä prosessissa syntyvää lämpöä käytetään hyödyllisen työn suorittamiseen.

Polttokennossa, kuten akkuissakin, polttoaineen hapettumisen ja hapen vähentämisen reaktiot on erotettu alueellisesti ja "palamisprosessi" etenee vain, jos kenno antaa virran kuormalle. Se on kuin dieselgeneraattori, vain ilman diesel- ja generaattoria. Ja myös ilman savua, melua, ylikuumenemista ja paljon tehokkaammalla. Jälkimmäinen selitetään sillä, että ensinnäkin ei ole mekaanisia välilaitteita ja toiseksi polttokenno ei ole lämpömoottori, joten se ei noudata Carnot-lakia (ts. Sen tehokkuutta ei määritä lämpötilaero).

Happia käytetään hapettimena polttokennoissa. Lisäksi, koska happea on melko tarpeeksi ilmassa, ei tarvitse huolehtia hapettimen syötöstä. Polttoaineena se on vety. Joten, reaktio tapahtuu polttokennossa:

2H2 + O2 → 2H2O + sähkö + lämpö.

Tuloksena on hyödyllinen energia ja vesihöyry. Yksinkertaisin suunnittelussa on protoninvaihtokalvon polttokenno (katso kuva 1). Se toimii seuraavasti: alkuaineeseen kulkeva vety hajoaa katalyytin vaikutuksesta elektroneiksi ja positiivisesti varautuneiksi vetyioneiksi H +. Sitten tulee erityinen kalvo, joka toimii tässä elektrolyyttinä tavanomaisessa akussa. Kemiallisen koostumuksensa ansiosta se kulkee protoneja itsensä läpi, mutta se vangitsee elektroneja. Siten anodille kertyneet elektronit luovat ylimääräisen negatiivisen varauksen, ja vetyionit luovat positiivisen varauksen katodiin (elementin jännite on noin 1 V).

Suuren tehon aikaansaamiseksi polttokenno on koottu useista kennoista. Jos sisällytät elementin kuormaan, niin elektronit virtaavat sen läpi katodiin, muodostaen virran ja saattamalla päätökseen vedyn hapettuminen happea. Katalysaattorina sellaisissa polttokennoissa käytetään tyypillisesti hiilikuituille kerrostettuja platina-mikrohiukkasia. Rakenteestaan ​​johtuen tällainen katalyytti kulkee kaasua ja sähköä hyvin. Kalvo on tyypillisesti tehty rikkiä sisältävästä Nafion-polymeeristä. Kalvon paksuus on yhtä suuri kuin millimetrin kymmenesosat. Reaktion aikana tietysti myös lämpöä vapautuu, mutta sitä ei ole niin paljon, että käyttölämpötila pidetään alueella 40-80 ° C.

Kuvio 1. Polttokennon toimintaperiaate

On olemassa muun tyyppisiä polttokennoja, jotka eroavat pääasiassa käytetyn elektrolyytin tyypistä. Lähes kaikki heistä vaativat vetyä polttoaineena, joten nousee loogiseen kysymykseen: mistä sitä saada. Tietenkin, olisi mahdollista käyttää puristettua vetyä sylintereistä, mutta silloin heti on ongelmia, jotka liittyvät tämän erittäin syttyvän kaasun kuljetukseen ja varastointiin korkeassa paineessa. Tietysti voit käyttää vetyä sidotussa muodossa kuten metallihydridiakut. Mutta edelleen, sen louhinnan ja kuljetuksen tehtävänä on edelleen, koska vety huoltoasemien infrastruktuuria ei ole.

On kuitenkin olemassa myös ratkaisu - nestemäistä hiilivetypolttoainetta voidaan käyttää vedyn lähteenä. Esimerkiksi etyyli- tai metyylialkoholi. Totta, tässä tarvitaan jo erityistä lisälaitetta - polttoainemuuntaja, joka muuntaa alkoholit korkeassa lämpötilassa kaasumaisen H2: n ja CO2: n seokseksi (metanolille se on jossain noin 240 ° C). Mutta tässä tapauksessa siirrettävyyttä on jo vaikeampaa ajatella - sellaisia ​​laitteita käytetään hyvin kiinteinä tai auton vaihtovirtageneraattoritMutta pienikokoisiin mobiililaitteisiin tarvitset jotain vähemmän vaivalloista.

Ja tässä tulemme siihen laitteeseen, jonka kehitykseen melkein kaikki suuret elektroniikan valmistajat harjoittavat kauheaa voimaa - metanolipolttokenno (kuva 2).

Kuva 2. Polttokennon toimintaperiaate metanolissa

Periaatteellinen ero vedyn ja metanolin täyttöelementtien välillä on käytetty katalyytti. Metanolipolttokennossa oleva katalyytti mahdollistaa protonien poistamisen suoraan alkoholimolekyylistä.Siten polttoainekysymys on ratkaistu - metyylialkoholia tuotetaan massatuotannossa kemianteollisuudelle, sitä on helppo varastoida ja kuljettaa, ja metanolipolttokennon lataamiseksi riittää, kun yksinkertaisesti korvataan patruuna polttoaineella. Totta, on yksi merkittävä miinus - metanoli on myrkyllinen. Lisäksi metanolipolttokennon hyötysuhde on huomattavasti alhaisempi kuin vetypolttokennon.

Kuva 3. Metanolipolttokenno

Houkuttelevin vaihtoehto on käyttää etyylialkoholia polttoaineena, koska minkä tahansa koostumuksen ja vahvuuden omaavien alkoholijuomien tuotanto ja jakelu on vakiintunut ympäri maailmaa. Etanolipolttokennojen hyötysuhde on valitettavasti kuitenkin jopa alhaisempi kuin metanolilla.

Kuten jo monien vuosien kehitystyön aikana polttokennojen alalla on todettu, erityyppisiä polttokennoja on rakennettu. Polttokennot luokitellaan elektrolyyttien ja polttoainetyyppien mukaan.

1. Kiinteä polymeerivety-hapen elektrolyytti.

2. Kiinteät polymeerimetanolipolttokennot.

3. Alkalisen elektrolyytin elementit.

4. Fosforihapon polttokennot.

5. Sulattujen karbonaattien polttokennot.

6. Kiinteän oksidin polttokennot.

Ihannetapauksessa polttokennojen hyötysuhde on erittäin korkea, mutta todellisissa olosuhteissa epätasapainomenetelmiin liittyy häviöitä, kuten elektrolyytin ja elektrodien johtavuudesta johtuvat ohmiset häviöt, aktivointi- ja pitoisuuspolarisaatio, diffuusiohäviöt. Tämän seurauksena osa polttokennoissa tuotetusta energiasta muuttuu lämmöksi. Asiantuntijoiden ponnisteluilla pyritään vähentämään näitä tappioita.

Tärkeimmät ohmisten häviöiden lähteet ja syy polttokennojen korkealle hinnalle ovat perfluoratut sulfokationi-ioninvaihtomembraanit. Nyt etsimme vaihtoehtoisia, halvempia protoneja johtavia polymeerejä. Koska näiden kalvojen (kiinteät elektrolyytit) johtavuus saavuttaa hyväksyttävän arvon (10 ohmia / cm) vain veden läsnä ollessa, polttokennoon syötetyt kaasut on lisäksi kostutettava erityisellä laitteella, mikä myös tekee järjestelmästä kalliimman. Katalyyttisissä kaasudiffuusioelektrodoissa käytetään pääasiassa platinaa ja joitain muita jalometalleja, eikä toistaiseksi korvausta ole löydetty. Vaikka platinapitoisuus polttokennoissa on useita mg / cm2, suurissa akkuissa sen määrä nousee kymmeniin grammiin.

Polttokennojen suunnittelussa kiinnitetään paljon huomiota lämmönpoistojärjestelmään, koska suurilla virrantiheyksillä (jopa 1A / cm2) järjestelmä kuumenee itse. Jäähdytykseen käytetään polttokennossa kiertävää vettä erityiskanavien kautta ja pienillä kapasiteeteilla käytetään ilmapuhallusta.

Joten, nykyaikainen sähkökemiallisen generaattorijärjestelmä itsensä polttokennoakun lisäksi "kasvaa" monien apulaitteiden kanssa, kuten: pumput, ilmakompressori, vedyn sisääntulo, kaasun kostutin, jäähdytysyksikkö, kaasuvuotojen ohjausjärjestelmä, DC / AC-muunnin, ohjausprosessori jne. Kaikki tämä johtaa siihen, että polttokennojärjestelmän kustannukset vuosina 2004-2005 olivat 2-3 tuhatta dollaria / kW. Asiantuntijoiden mukaan polttokennot tulevat käytettäviksi kuljetuksissa ja kiinteissä voimalaitoksissa hinnalla 50–100 dollaria / kW.

Polttokennojen käyttöönottamiseksi jokapäiväisessä elämässä, halvempien komponenttien ohella, on odotettava uusia alkuperäisiä ideoita ja lähestymistapoja. Erityisesti suuret toiveet liittyvät nanomateriaalien ja nanoteknologian käyttöön. Esimerkiksi äskettäin useat yritykset ilmoittivat luomasta supertehokkaita katalyyttejä, erityisesti happielektrodille, joka perustuu eri metallien nanohiukkasten klustereihin. Lisäksi on ilmoitettu kalvovapaiden polttokennojen suunnittelusta, joissa nestemäistä polttoainetta (esim. Metanolia) syötetään polttokennoon hapettimen kanssa.Mielenkiintoinen konsepti on myös kehitetty konsepti biopolttoaine-elementeistä, jotka toimivat saastuneissa vesissä ja käyttävät liuennettua happea hapettimena ja orgaanisia epäpuhtauksia polttoaineena.

Asiantuntijoiden mukaan polttokennot tulevat massamarkkinoille tulevina vuosina. Itse asiassa kehittäjät valloittavat tekniset ongelmat peräkkäin, raportoivat menestyksistä ja esittävät polttokennojen prototyyppejä. Toshiba on esimerkiksi osoittanut valmiin prototyypin metanolipolttokennosta. Sen koko on 22x56x4,5 mm, ja sen teho on luokkaa 100mW. Yksi tankkaus 2 kuutiossa väkevää (99,5%) metanolia riittää 20 tunniksi MP3-soittimen työksi. Toshiba on julkaissut kaupallisen polttokennon matkapuhelimille. Jälleen sama Toshiba esitti elementin kannettavien tietokoneiden virran mittaamiseksi, joiden koko on 275x75x40 mm, jolloin tietokone voi toimia 5 tuntia yhdellä tankkauksella.

Toinen japanilainen yritys, Fujitsu, ei ole kaukana Toshibasta. Vuonna 2004 hän esitteli myös elementin, joka vaikuttaa metanolin 30-prosenttiseen vesiliuokseen. Tämä polttokenno toimi yhdellä tankkauksella 300 ml: ssa 10 tunnin ajan ja antoi samalla tehoa 15 wattia.

Casio kehittää polttokennoa, jossa metanoli prosessoidaan ensin kaasumaisen H2: n ja CO2: n seokseksi pienessä polttoainemuuntimessa ja syötetään sitten polttokennoon. Esittelyn aikana Casion prototyyppi antoi virtaa kannettavalle tietokoneelle 20 tuntia.

Samsung oli merkittävä myös polttokennojen alalla - vuonna 2004 se esitteli 12 W: n prototyypin, joka on suunniteltu kannettavan tietokoneen virrankäyttöön. Yleensä Samsung odottaa käyttävän polttokennoja, pääasiassa neljännen sukupolven älypuhelimissa.

Minun on sanottava, että japanilaiset yritykset suhtautuivat yleensä hyvin perusteellisesti polttokennojen kehittämiseen. Vuonna 2003 Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony ja Toshiba, kuten Yhdysvallat, yhdistivät voimansa kehittääkseen yhteisen polttokennostandardin kannettaville tietokoneille, matkapuhelimille, PDA-laitteille ja muille elektronisille laitteille. Amerikkalaiset yritykset, joita on myös lukuisia näillä markkinoilla, työskentelevät pääosin armeijan kanssa tehtyjen sopimusten mukaisesti ja kehittävät polttokennoja amerikkalaisten sotilaiden sähköistämiseksi.

Saksalaiset eivät ole kaukana - Smart Fuel Cell myy polttokennoja liikkuvan toimiston käyttämiseen. Laitetta kutsutaan älykkääksi polttokennoksi C25, sen mitat ovat 150x112x65 mm ja se voi tuottaa jopa 140 wattituntia yhdessä huoltoasemassa. Tämä riittää kannettavan tietokoneen virrankäyttöön noin 7 tunniksi. Sitten patruuna voidaan vaihtaa ja voit jatkaa työskentelyä. Metanolilla varustetun patruunan koko on 99x63x27 mm, ja sen paino on 150 g. Itse järjestelmä painaa 1,1 kg, joten sitä ei voi kutsua ehdottomasti kannettavaksi, mutta se on silti kattava ja kätevä laite. Yhtiö kehittää myös polttoainemoduulia ammattimaisille videokameroille.

Yleensä polttokennot ovat melkein tulleet mobiilielektroniikan markkinoille. Valmistajat jäävät ratkaisemaan viimeisimmät tekniset ongelmat ennen massatuotannon aloittamista.

Ensinnäkin on ratkaistava polttokennojen miniatyrisointikysymys. Loppujen lopuksi, mitä pienempi polttokenno on, sitä vähemmän tehoa se pystyy antamaan - niin kehitetään jatkuvasti uusia katalyyttejä ja elektrodeja, jotka mahdollistavat pienillä kokoilla maksimoida työpinnan. Tässä juuri ajoissa nanoteknologian ja nanomateriaalien (esimerkiksi nanoputkien) viimeaikainen kehitys on erittäin hyödyllistä. Elementtien (polttoaine- ja vesipumput, jäähdytys- ja polttoaineenmuuntamisjärjestelmät) putkiston minimoimiseksi jälleen käytetään mikroselektromekaanisia edistysaskeleita.

Toinen tärkeä ongelma, johon on puututtava, on hinta. Itse asiassa katalysaattorina useimmissa polttokennoissa käytetään todella kallista platinaa.Jotkut valmistajat yrittävät jälleen hyödyntää jo kehitettyä piitekniikkaa.

Kuten muillakin polttokennojen käyttöalueilla, polttokennot ovat jo vakiintuneita siellä, vaikka niistä ei ole vielä tullut yleistä energia-alalle tai liikenteelle. Monet autonvalmistajat ovat jo esittäneet polttokennovoimalla varustetut konseptiautonsa. Useissa kaupungeissa ympäri maailmaa polttokennobussit kulkevat ympäri. Kanadalainen Ballard Power Systems tuottaa joukon kiinteitä generaattoreita, joiden teho on 1–250 kW. Samanaikaisesti kilowattigeneraattorit on suunniteltu toimittamaan heti yhdelle asunnolle sähköä, lämpöä ja kuumaa vettä.

Katso myös: Vaihtoehtoiset energialähteet