Što su gorivne ćelije

Mobilna elektronika svake godine, ako ne i mjesec dana, postaje sve dostupnija i rasprostranjenija. Ovdje imate prijenosna računala, i PDA uređaje, i digitalne fotoaparate, i mobilne telefone, i mnoštvo raznih, korisnih i ne baš tako dobrih uređaja. I svi ti uređaji neprestano stječu nove značajke, snažnije procesore, velike zaslone u boji, bežičnu komunikaciju, istovremeno smanjujući veličinu. Ali, za razliku od tehnologija poluvodiča, energetske tehnologije cijele ove mobilne upravljačke mreže ne idu korak po korak.

Konvencionalne punjive baterije i baterije očito nisu dovoljne za postizanje najnovijeg napretka u industriji elektronike za bilo koje značajno vrijeme. A bez pouzdanih i prostornih baterija, gubi se čitavo značenje mobilnosti i bežične mreže. Tako računalna industrija sve aktivnije radi na problemu alternativni izvori napajanja, A najperspektivniji je danas smjer gorivne ćelije.

Osnovni princip rada gorivnih ćelija otkrio je britanski znanstvenik Sir William Grove 1839. godine. Poznat je kao otac gorivne ćelije. William Grove je proizvodio struju promjenom elektroliza vode za izdvajanje vodika i kisika. Isključivši bateriju iz elektrolitičke ćelije, Grove je iznenađen otkrivši da elektrode počinju apsorbirati oslobođeni plin i stvarati struju. Otvaranje procesa elektrokemijsko hladno izgaranje vodika događaj u energetskom sektoru postao je značajan, a u budućnosti su takvi poznati elektrokemičari kao Ostwald i Nernst igrali veliku ulogu u razvoju teorijskih osnova i praktičnoj primjeni gorivnih ćelija i predviđali im veliku budućnost.

sam izraz "gorivna ćelija" (gorivna ćelija) pojavila se kasnije - to su 1889. godine predložili Ludwig Mond i Charles Langer, koji su pokušali stvoriti uređaj za proizvodnju električne energije iz zraka i ugljenog plina.

Tijekom normalnog izgaranja kisik oksidira fosilna goriva, a kemijska se energija goriva neučinkovito pretvara u toplinsku energiju. No, ispostavilo se da je moguće provesti oksidacijsku reakciju, na primjer, vodik s kisikom, u elektrolitnom mediju i u prisutnosti elektroda da bi se dobila električna struja. Na primjer, dovodeći vodik elektrodi koja se nalazi u alkalnom mediju, dobivamo elektrone:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

koji prolazeći vanjskim krugom prelaze u suprotnu elektrodu, do koje ulazi kisik i gdje se odvija reakcija: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Može se vidjeti da je rezultirajuća reakcija 2H2 + O2 → H2O ista kao i tijekom normalnog izgaranja, ali u gorivnoj ćeliji ili na neki drugi način u elektrokemijski generator, ispada električna struja visoke učinkovitosti i djelomično toplina. Primjetite to ugljen, ugljični monoksid, alkoholi, hidrazin, druge organske tvari mogu se koristiti i kao gorivo u gorivnim ćelijama, a zrak, vodikov peroksid, klor, brom, dušična kiselina itd. mogu se koristiti kao oksidanti.

Razvoj gorivnih ćelija intenzivno se nastavio iu inozemstvu i u Rusiji, i dalje u SSSR-u. Među znanstvenicima koji su dali veliki doprinos u proučavanju gorivnih ćelija spomenimo V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Sredinom prošlog stoljeća započeo je novi napad na probleme s gorivnim ćelijama. To je dijelom posljedica pojave novih ideja, materijala i tehnologija kao rezultat obrambenih istraživanja.

Jedan od znanstvenika koji je napravio veliki korak u razvoju gorivnih ćelija bio je P. M. Spiridonov. Elementi vodika i kisika Spiridonova dao je gustoću struje od 30 mA / cm2, što se za to vrijeme smatralo velikim postignućem.U četrdesetima je O. Davtyan stvorio postrojenje za elektrokemijsko sagorijevanje generacijskog plina dobivenog uplinjavanjem ugljena. Davtyan je dobio 5 kW snage iz svakog kubnog metra volumena elementa.

To je bilo prva kruta ćelija za elektrolit, Imao je visoku učinkovitost, ali s vremenom je elektrolit postao neupotrebljiv i morao se mijenjati. Nakon toga, krajem pedesetih godina, Davtyan je stvorio snažnu instalaciju koja je pokretala traktor. U istim tim godinama engleski inženjer T. Bacon dizajnirao je i izgradio bateriju na gorivne ćelije ukupnog kapaciteta 6 kW i učinkovitosti 80%, radeći na čistom vodiku i kisiku, ali omjer snage i težine baterije bio je premali - takvi su elementi bili neprikladni za praktičnu upotrebu i previše dragi moji.

U slijedećim godinama, vrijeme osamljenika je prošlo. Kreatori svemirskih letjelica postali su zainteresirani za gorivne ćelije. Od sredine 60-ih u milijune dolara uloženo je u istraživanje goriva. Rad tisuća znanstvenika i inženjera omogućio je dostizanje nove razine, a 1965. gorivne ćelije testirane su u Sjedinjenim Državama na svemirskom brodu Gemini 5, a kasnije i na brodovima Apollo za letove do Mjeseca i u okviru programa Shuttle.

U SSSR-u su gorivne ćelije razvijene u NPO Kvant, također za upotrebu u svemiru. U tim se godinama već pojavljuju novi materijali - kruti polimerni elektroliti na osnovi membrana za izmjenu iona, nove vrste katalizatora, elektrode. Pa ipak, gustoća radne struje bila je mala - u rasponu od 100-200 mA / cm2, a sadržaj platine na elektrodama bio je nekoliko g / cm2. Bilo je mnogo problema povezanih sa izdržljivošću, stabilnošću i sigurnošću.

Sljedeća faza brzog razvoja gorivnih ćelija započela je 90-ih. prošlog stoljeća i nastavlja se sada. To je uzrokovano potrebom novih učinkovitih izvora energije, s jedne strane, globalnim problemom zaštite okoliša zbog sve veće emisije stakleničkih plinova izgaranjem fosilnih goriva, a s druge strane, iscrpljivanjem takvih goriva. Budući da je voda krajnji produkt izgaranja vodika u gorivnoj ćeliji, oni se smatraju najčišćim s gledišta utjecaja na okoliš. Glavni problem je samo pronaći učinkovit i jeftin način proizvodnje vodika.

Milijun financijskih ulaganja u razvoj gorivnih ćelija i hidrogeneratora trebalo bi dovesti do tehnološkog napretka i njihove upotrebe u svakodnevnom životu učiniti stvarnošću: u ćelijama mobitela, automobilima, elektranama. Već automobilski divovi poput Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstriraju automobile i autobuse koji rade na 50kW gorivim ćelijama. Razvile su se brojne tvrtke Postrojenja za demonstraciju elektrolita na kruto gorivo do 500 kW, No, unatoč značajnom pomaku u poboljšanju performansi gorivnih ćelija, mnogi problemi i dalje se trebaju riješiti u vezi s njihovim troškovima, pouzdanošću i sigurnošću.

U gorivnoj ćeliji, za razliku od baterija i akumulatora, i gorivo i oksidator opskrbljuju se izvana. Gorivna ćelija samo je posrednik u reakciji i u idealnim bi uvjetima mogla raditi gotovo zauvijek. Ljepota ove tehnologije je u tome u stvari, gorivo se gori u elementu, a oslobođena energija se izravno pretvara u električnu energiju, Izravnim izgaranjem goriva oksidira se kisikom, a toplina stvorena u ovom procesu koristi se za dovršavanje korisnih poslova.

U gorivnoj ćeliji, kao i u baterijama, reakcije oksidacije goriva i smanjenja kisika su prostorno odvojene, a proces "gorenja" nastavlja se samo ako ćelija odaje struju opterećenju. Kao da je dizelski generator, samo bez dizela i generatora, A također bez dima, buke, pregrijavanja i s puno većom učinkovitošću. Potonje se objašnjava činjenicom da, prvo, ne postoje intermedijarni mehanički uređaji, a drugo, gorivna ćelija nije toplinski motor i stoga ne poštuje Carnotov zakon (to jest, njegova učinkovitost nije određena temperaturnom razlikom).

Kisik se koristi kao oksidant u gorivnim ćelijama. Štoviše, s obzirom da je kisika sasvim dovoljno u zraku, nema potrebe brinuti se o opskrbi oksidantom. Što se tiče goriva, to je vodik. Dakle, reakcija se događa u gorivnoj ćeliji:

2H2 + O2 → 2H2O + struja + toplina.

Rezultat je korisna energija i vodena para. Najjednostavniji je u svom dizajnu gorivna ćelija za izmjenu protona (vidi sliku 1). Djeluje na sljedeći način: vodik koji ulazi u element raspada se pod djelovanjem katalizatora u elektrone i pozitivno nabijene vodikove ione H +. Tada dolazi u igru ​​posebna membrana koja ovdje djeluje kao elektrolit u uobičajenoj bateriji. Zbog svog kemijskog sastava, protoni prolaze kroz sebe, ali zadržavaju elektrone. Dakle, elektroni akumulirani na anodi stvaraju višak negativnog naboja, a vodikovi ioni stvaraju pozitivan naboj na katodi (napon na elementu je oko 1V).

Da bi se stvorila velika snaga, gorivna ćelija je sastavljena iz više ćelija. Ako u opterećenje uključite element, onda elektroni kroz njega teče do katode stvarajući struju i dovršavajući proces oksidacije vodika kisikom. Kao katalizator u takvim gorivnim ćelijama obično se koriste mikroplastici platine odloženi na ugljičnim vlaknima. Takav katalizator zbog svoje strukture dobro prolazi plin i struju. Membrana se obično izrađuje od Nafion polimera koji sadrži sumpor. Debljina membrane jednaka je desetinama milimetra. Tijekom reakcije, naravno, oslobađa se i toplina, ali to nije toliko, tako da se radna temperatura održava u rasponu od 40-80 ° C.

Sl. 1. Načelo rada gorivne ćelije

Postoje i druge vrste gorivnih ćelija, koje se uglavnom razlikuju u vrsti elektrolita koji se koristi. Gotovo svi zahtijevaju vodik kao gorivo, pa se postavlja logično pitanje: gdje ga nabaviti. Naravno, bilo bi moguće koristiti komprimirani vodik iz boca, ali tada odmah nastaju problemi povezani s transportom i skladištenjem ovog visoko zapaljivog plina pod visokim tlakom. Naravno, možete koristiti vodik u vezanom obliku kao u metal-hidridnim baterijama. Ali još uvijek ostaje zadatak njegova vađenja i transporta jer infrastruktura hidrogenskih benzinskih stanica ne postoji.

Međutim, postoji i rješenje - tekuće ugljikovodično gorivo može se koristiti kao izvor vodika. Na primjer, etil ili metil alkohol. Istina, ovdje je već potreban poseban dodatni uređaj - pretvarač goriva koji alkohol pretvara u mješavinu plinovitih H2 i CO2 pri visokoj temperaturi (za metanol će biti negdje oko 240 ° C). Ali u ovom je slučaju već teže razmišljati o prenosivosti - takvi se uređaji dobro koriste kao stacionarni ili automobilski alternatoriAli za kompaktnu mobilnu opremu trebate nešto manje glomazno.

I tu dolazimo do tog uređaja, čijim se razvojem gotovo svi najveći proizvođači elektronike bave strašnom snagom - metanol gorivna ćelija (slika 2).

Sl. 2. Princip rada gorivne ćelije na metanolu

Temeljna razlika između elemenata za punjenje vodika i metanola je korišteni katalizator. Katalizator u metanol gorivnoj ćeliji omogućava uklanjanje protona izravno iz molekule alkohola.Tako se rješava pitanje goriva - metilni alkohol se proizvodi u masovnoj proizvodnji za kemijsku industriju, lako ga je skladištiti i transportirati, a za punjenje metanol gorivne ćelije dovoljno je jednostavno zamijeniti spremnik gorivom. Istina, postoji jedan značajan minus - metanol je toksičan. Pored toga, učinkovitost gorivne ćelije u metanolu značajno je niža od one vodikove.

Sl. 3. Metanol gorivna ćelija

Najviše primamljiva opcija je korištenje etilnog alkohola kao goriva, jer je proizvodnja i distribucija alkoholnih pića bilo kojeg sastava i jačine dobro uspostavljena širom svijeta. Međutim, učinkovitost gorivnih ćelija s etanolom, nažalost, čak je i manja od one metanola.

Kao što je već napomenuto tijekom dugogodišnjeg razvoja na području gorivnih ćelija, izgrađene su različite vrste gorivnih ćelija. Gorivne ćelije klasificiraju se prema elektrolitu i vrsti goriva.

1. Čvrsti polimer hidrogen-kisikov elektrolit.

2. Čvrste polimerne metanolne gorivne ćelije.

3. Elementi na alkalnom elektrolitu.

4. Gorivne ćelije fosforne kiseline.

5. Gorivne ćelije na staljenom karbonatu.

6. Čvrste oksidne gorivne ćelije.

U idealnom slučaju, učinkovitost gorivnih ćelija je vrlo visoka, ali u stvarnim uvjetima postoje gubici povezani s neravnotežnim procesima, poput ohmičkih gubitaka zbog vodljivosti elektrolita i elektroda, aktiviranja i polarizacije koncentracije, difuzijskih gubitaka. Kao rezultat toga, dio energije koja se generira u gorivnim ćelijama pretvara se u toplinu. Napori stručnjaka usmjereni su na smanjenje tih gubitaka.

Glavni izvor ohmičkih gubitaka, kao i razlog visoke cijene gorivnih ćelija, su perfluorirane sulfokacijsko-ionske membrane. Sada tražimo alternativne, jeftinije polimere koji provode protone. Budući da vodljivost ovih membrana (kruti elektroliti) dostiže prihvatljivu vrijednost (10 Ohm / cm) samo u prisustvu vode, plinovi koji se dovode u gorivnu ćeliju moraju se dodatno navlažiti u posebnom uređaju, što također čini skuplji sustav. U katalitičkim elektrodama za difuziju plina koriste se uglavnom platina i neki drugi plemeniti metali, a dosad nije pronađena zamjena. Iako je sadržaj platine u gorivnim ćelijama nekoliko mg / cm2, za velike baterije njegova količina doseže desetke grama.

Pri dizajniranju gorivnih ćelija puno se pozornosti posvećuje sustavu za uklanjanje topline, jer se pri velikim gustoćama struje (do 1A / cm2) sustav samo zagrijava. Za hlađenje se koristi voda koja cirkulira u gorivnoj ćeliji posebnim kanalima, a pri malim kapacitetima koristi se puhanje zraka.

Dakle, moderni sustav elektrokemijskog generatora, osim same baterije gorivne ćelije, "raste" s mnogim pomoćnim uređajima, kao što su: pumpe, kompresor za dovod zraka, dovod vodika, ovlaživač plina, rashladna jedinica, sustav za kontrolu istjecanja plina, pretvarač DC u izmjenični napon, upravljački procesor i dr. Sve to dovodi do činjenice da je trošak sustava gorivnih ćelija u razdoblju 2004-2005 bio 2-3 tisuće dolara / kW. Prema stručnjacima, gorivne ćelije postat će dostupne za uporabu u prijevozu i u stacionarnim elektranama po cijeni od 50-100 $ / kW.

Za uvođenje gorivnih ćelija u svakodnevni život, zajedno s jeftinijim komponentama, morate očekivati ​​nove originalne ideje i pristupe. Konkretno, velike nade povezane su s uporabom nanomaterijala i nanotehnologija. Primjerice, nedavno je nekoliko tvrtki najavilo stvaranje super učinkovitih katalizatora, posebno za kisikovu elektrodu koja se temelji na skupinama nanočestica različitih metala. Pored toga, objavljena su izvješća o dizajniranju gorivnih ćelija bez membrane u kojima se tekuće gorivo (npr. Metanol) dovodi u gorivu ćeliju zajedno s oksidantom.Zanimljiv koncept je razvijeni koncept elemenata biogoriva koji djeluju u zagađenim vodama i troše otopljeni kisik kao oksidacijsko sredstvo, a organske nečistoće kao gorivo.

Prema riječima stručnjaka, gorivne ćelije ući će na masovno tržište u narednim godinama. Zapravo, programeri osvajaju tehničke probleme jedan za drugim, izvještavaju o uspjesima i predstavljaju prototipe gorivnih ćelija. Na primjer, Toshiba je demonstrirala gotovu prototilu metanol goriva. Ima veličinu 22x56x4,5mm i daje snagu veličine 100mW. Jedno punjenje goriva u 2 kocke koncentriranog (99,5%) metanola dovoljno je za 20 sati rada MP3 playera. Toshiba je objavio komercijalnu gorivnu ćeliju za napajanje mobilnih telefona. Opet je isti Toshiba pokazao element za napajanje prijenosnih računala dimenzija 275x75x40mm, omogućujući računalu da radi samo jedan sat punjenja.

Još jedna japanska kompanija, Fujitsu, nije daleko iza Toshibine. 2004. godine je također uvela element koji djeluje na 30% vodenoj otopini metanola. Ova je gorivna ćelija radila na jednom punjenju u 300 ml 10 sati, a istodobno je puštala snagu od 15 W.

Casio razvija gorivnu ćeliju u kojoj se metanol prvo pretvara u mješavinu plinovitih H2 i CO2 u minijaturnom pretvaraču goriva, a zatim se dovodi u gornju ćeliju. Tijekom demonstracije, prototip Casio napajao je prijenosno računalo 20 sati.

Samsung je također zapažen u području gorivnih ćelija - 2004. godine demonstrirao je svoj 12 W prototip dizajniran za napajanje prijenosnog računala. Općenito, Samsung očekuje korištenje gorivnih ćelija, prije svega na pametnim telefonima četvrte generacije.

Moram reći da su japanske tvrtke uglavnom vrlo temeljito pristupile razvoju gorivnih ćelija. Još 2003. godine, tvrtke poput Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba udružile su snage u razvoju zajedničkog standarda gorivnih ćelija za prijenosna računala, mobilne telefone, PDA uređaje i druge elektroničke uređaje. Američke tvrtke, koje su također brojne na ovom tržištu, uglavnom rade po ugovorima s vojskom i razvijaju gorivne ćelije za elektrificiranje američkih vojnika.

Nijemci nisu daleko iza - Smart Fuel Cell prodaje gorivne ćelije kako bi napajao mobilni ured. Uređaj se zove Smart Fuel Cell C25, ima dimenzije 150x112x65mm i može proizvesti do 140 vati-sati na jednoj benzinskoj postaji. Ovo je dovoljno za napajanje prijenosnog računala oko 7 sati. Tada se uložak može zamijeniti i možete nastaviti raditi. Veličina uloška s metanolom je 99x63x27 mm, a težak je 150 g. Sam sustav teži 1,1 kg, tako da ga uopće ne možete nazvati prijenosnim, ali to je ipak kompletan i praktičan uređaj. Tvrtka također razvija modul za gorivo za napajanje profesionalnih video kamera.

Općenito, gorivne ćelije gotovo su ušle na tržište mobilne elektronike. Proizvođačima preostaje da riješe najnovije tehničke probleme prije nego što započnu masovnu proizvodnju.

Prvo, potrebno je riješiti pitanje minijaturizacije gorivnih ćelija. Uostalom, što je gorivna ćelija manja, to će se manje moći ispuštati - tako se stalno razvijaju novi katalizatori i elektrode koji omogućuju, pri malim dimenzijama, maksimalizaciju radne površine. Ovdje su, upravo s vremenom, vrlo korisna nedavna dostignuća u području nanotehnologije i nanomaterijala (na primjer, nanocjevčice). Opet, za minijaturizaciju navoja elemenata (pumpe za gorivo i vodu, rashladni sustavi i pretvorbe goriva), mikroelektromehanički napredak sve se više primjenjuje.

Drugi važan problem koji treba riješiti je cijena. Doista, kao katalizator u većini gorivnih ćelija koristi se vrlo skupa platina.Opet, neki proizvođači pokušavaju što bolje iskoristiti već dobro razvijenu silicijsku tehnologiju.

Što se tiče ostalih područja upotrebe gorivnih ćelija, gorivne ćelije tamo su već dobro uspostavljene, iako još nisu postale glavni tok u energetskom sektoru ili prometu. Već su mnogi proizvođači automobila predstavili svoje konceptne automobile na pogonske stanice. U nekoliko gradova širom svijeta voze se autobusi s gorivnim ćelijama. Canadian Ballard Power Systems proizvodi niz stacionarnih generatora od 1 do 250 kW. Istodobno, kilovatni generatori dizajnirani su za trenutno opskrbu jednog stana strujom, toplinom i toplom vodom.

Vidi također: Alternativni izvori energije