Ce sunt celulele de combustibil

Electronica mobilă în fiecare an, dacă nu chiar o lună, devine din ce în ce mai accesibilă și răspândită. Aici aveți laptopuri și PDA-uri și camere digitale și telefoane mobile și o mulțime de tot felul de dispozitive utile și nu chiar așa. Și toate aceste dispozitive achiziționează constant funcții noi, procesoare mai puternice, ecrane color mari, comunicații fără fir, în același timp scăzând dimensiunile. Însă, spre deosebire de tehnologiile cu semiconductor, tehnologiile de putere din toată această menagerie mobilă nu merg în trepte.

Bateriile și bateriile reîncărcabile convenționale nu sunt în mod clar suficiente pentru a alimenta ultimele progrese din industria electronică pentru o perioadă substanțială de timp. Și fără baterii fiabile și eficiente, se pierde întregul sens al mobilității și wirelessului. Deci industria computerului lucrează din ce în ce mai activ la problemă surse alternative de alimentare. Iar cea mai promițătoare, astăzi, direcția este celule de combustibil.

Principiul de bază al funcționării pilelor de combustibil a fost descoperit de savantul britanic Sir William Grove în 1839. Este cunoscut ca tatăl pilei de combustibil. William Grove a generat energie electrică prin schimbare electroliza apei pentru a extrage hidrogen și oxigen. După ce a deconectat bateria de la celula electrolitică, Grove a fost surprins să constate că electrozii au început să absoarbă gazul degajat și să genereze curent. Deschiderea procesului combustie electrochimică la rece a hidrogenului un eveniment în sectorul energetic a devenit semnificativ, iar în viitor astfel de electrochimiști cunoscuți precum Ostwald și Nernst au jucat un rol important în dezvoltarea fundamentelor teoretice și în implementarea practică a pilelor de combustibil și au prezis un viitor mare pentru acestea.

însuși termenul „celulă de combustibil” (celulă de combustibil) a apărut mai târziu - a fost propusă în 1889 de Ludwig Mond și Charles Langer, care au încercat să creeze un dispozitiv de generare a energiei electrice din aer și gaze de cărbune.

În timpul combustiei normale, oxigenul oxidează combustibilii fosili, iar energia chimică a combustibilului este transformată ineficient în energie termică. Dar s-a dovedit că este posibil să se efectueze reacția de oxidare, de exemplu, hidrogenul cu oxigen, într-un mediu electrolit și în prezența electrozilor pentru a obține un curent electric. De exemplu, furnizând hidrogen la un electrod situat într-un mediu alcalin, obținem electroni:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

care, trecând prin circuitul extern, merg la electrodul opus, la care intră oxigenul și unde are loc reacția: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Se poate observa că reacția rezultată 2H2 + O2 → H2O este aceeași ca în timpul combustiei normale, dar în celula de combustibil, sau în alt mod, în generator electrochimic, se dovedește curent electric cu eficiență ridicată și parțial căldură. Rețineți că cărbune, monoxid de carbon, alcooli, hidrazină, alte substanțe organice pot fi de asemenea utilizate ca combustibil în celulele de combustibil, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizate ca agenți de oxidare.

Dezvoltarea pilelor de combustibil a continuat puternic atât în ​​străinătate cât și în Rusia, și în continuare în URSS. Dintre oamenii de știință care au contribuit foarte mult la studiul pilelor de combustibil, menționăm V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. La mijlocul secolului trecut, a început un nou atac asupra problemelor cu celulele de combustibil. Acest lucru se datorează parțial apariției de noi idei, materiale și tehnologii ca urmare a cercetării în domeniul apărării.

Unul dintre oamenii de știință care a făcut un pas major în dezvoltarea pilelor de combustibil a fost P. M. Spiridonov. Elemente de hidrogen-oxigen din Spiridonov a dat o densitate curentă de 30 mA / cm2, ceea ce pentru acea perioadă a fost considerat o mare realizare.În anii 40, O. Davtyan a creat o instalație pentru arderea electrochimică a gazului generator obținut prin gazificarea cărbunelui. Cu fiecare metru cub de volum al elementului, Davtyan a primit 5 kW de putere.

Asta a fost prima celulă de combustibil solid electrolit. Avea eficiență ridicată, dar în timp, electrolitul a devenit inutilizabil și a trebuit să fie schimbat. Ulterior, la sfârșitul anilor cincizeci, Davtyan a creat o instalație puternică care a propulsat tractorul. În aceiași ani, inginerul englez T. Bacon a proiectat și a construit o baterie cu baterii cu o capacitate totală de 6 kW și o eficiență de 80%, care funcționează pe hidrogen pur și oxigen, dar raportul dintre puterea și greutatea bateriei era prea mic - astfel de elemente erau improprii pentru utilizare practică și prea dragi.

În anii următori, timpul singuraticilor a trecut. Creatorii de nave spațiale s-au interesat de pilele de combustibil. De la mijlocul anilor 60, s-au investit milioane de dolari în cercetarea cu pile de combustibil. Munca a mii de oameni de știință și ingineri a permis să ajungă la un nou nivel, iar în 1965. celulele de combustibil au fost testate în Statele Unite pe nava spațială Gemini 5, iar mai târziu pe navele Apollo pentru zboruri către lună și în cadrul programului Shuttle.

În URSS, celulele de combustibil au fost dezvoltate la NPO Kvant, de asemenea pentru utilizare în spațiu. În acei ani, materialele noi au apărut deja - electroliți polimeri solizi pe baza de membrane cu schimb de ioni, noi tipuri de catalizatori, electrozi. Și totuși, densitatea curentului de lucru a fost mică - în intervalul 100-200 mA / cm2, iar conținutul de platină pe electrozi a fost de mai multe g / cm2. Au fost multe probleme asociate cu durabilitatea, stabilitatea și securitatea.

Următoarea etapă de dezvoltare rapidă a pilelor de combustibil a început în anii 90. secolul trecut și continuă acum. Este cauzată de nevoia de noi surse de energie eficiente datorate, pe de o parte, problemei ecologice globale a creșterii emisiilor de gaze cu efect de seră provenite din arderea combustibililor fosili și, pe de altă parte, la epuizarea acestor combustibili. Deoarece apa este produsul final al combustiei de hidrogen într-o celulă de combustibil, ele sunt considerate cele mai curate din punct de vedere al impactului asupra mediului. Problema principală este doar găsirea unui mod eficient și ieftin de a produce hidrogen.

Investițiile financiare de miliarde în dezvoltarea celulelor de combustibil și a generatoarelor de hidrogen ar trebui să conducă la o descoperire tehnologică și să facă ca utilizarea lor în viața de zi cu zi să devină realitate: în celulele de telefon mobil, în mașini, în centrale. Deja, gigantii de automobile precum Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors demonstrează mașinile și autobuzele care funcționează pe baterii de 50kW. O serie de companii s-au dezvoltat Instalații de demonstrare a celulelor cu combustibil solid cu electrolit până la 500 kW. Dar, în ciuda unei progrese semnificative în ceea ce privește îmbunătățirea performanței pilelor de combustibil, încă mai trebuie rezolvate multe probleme legate de costul, fiabilitatea și siguranța acestora.

Într-o celulă de combustibil, spre deosebire de baterii și acumulatori, atât combustibilul cât și oxidantul îi sunt furnizate din exterior. Celula de combustibil este doar un mediator în reacție și în condiții ideale ar putea funcționa aproape pentru totdeauna. Frumusețea acestei tehnologii este aceea de fapt, combustibilul este ars în element, iar energia eliberată este transformată direct în energie electrică. Cu arderea directă a combustibilului, acesta este oxidat de oxigen, iar căldura generată în acest proces este utilizată pentru a finaliza lucrările utile.

Într-o celulă de combustibil, ca și în baterii, reacțiile de oxidare a combustibilului și reducerea oxigenului sunt separate spațial, iar procesul de „ardere” se continuă numai dacă celula degajă curent sarcinii. Este ca. generator diesel, numai fără motorină și generator. Și, de asemenea, fără fum, zgomot, supraîncălzire și cu o eficiență mult mai mare. Aceasta din urmă se explică prin faptul că, în primul rând, nu există dispozitive mecanice intermediare și, în al doilea rând, celula de combustibil nu este un motor termic și, prin urmare, nu respectă legea Carnot (adică eficiența sa nu este determinată de diferența de temperatură).

Oxigenul este utilizat ca agent oxidant în celulele de combustibil. Mai mult, întrucât oxigenul este suficient de mult în aer, nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la furnizarea unui agent oxidant. În ceea ce privește combustibilul, acesta este hidrogen. Deci, reacția are loc în celula de combustibil:

2H2 + O2 → 2H2O + electricitate + căldură.

Rezultatul este energia utilă și vaporii de apă. Cel mai simplu în designul său este Celulă de combustibil cu membrană de schimb de protoni (vezi figura 1). Funcționează astfel: hidrogenul care intră în element se descompune sub acțiunea catalizatorului în electroni și ioni de hidrogen încărcați pozitiv H +. Apoi intră în joc o membrană specială, acționând aici ca un electrolit într-o baterie convențională. Datorită compoziției sale chimice, trece protoni prin el însuși, dar captează electroni. Astfel, electronii acumulați pe anod creează o încărcare excesivă negativă, iar ionii de hidrogen creează o încărcare pozitivă asupra catodului (tensiunea pe element este de aproximativ 1V).

Pentru a crea o putere mare, o celulă de combustibil este asamblată dintr-o multitudine de celule. Dacă includeți un element în sarcină, atunci electronii curg prin el către catod, creând un curent și completând procesul de oxidare a hidrogenului prin oxigen. Ca catalizator în astfel de celule de combustibil, sunt utilizate în mod tipic microparticule de platină depuse pe o fibră de carbon. Datorită structurii sale, un astfel de catalizator trece bine gazul și energia electrică. Membrana este realizată de obicei dintr-un polimer Nafion care conține sulf. Grosimea membranei este egală cu o zecime de milimetru. În timpul reacției, desigur, se degajă și căldură, dar nu este atât de mult, astfel încât temperatura de operare este menținută în intervalul 40-80 ° C.

Fig. 1. Principiul funcționării pilei de combustibil

Există și alte tipuri de celule de combustibil, diferind în principal în ceea ce privește tipul de electrolit utilizat. Aproape toți necesită hidrogen ca combustibil, astfel încât apare o întrebare logică: unde să-l obținem. Desigur, ar fi posibilă utilizarea hidrogenului comprimat din butelii, dar imediat apar probleme asociate cu transportul și stocarea acestui gaz extrem de inflamabil sub presiune ridicată. Desigur, puteți utiliza hidrogen în formă legată ca în bateriile de hidrură metalică. Dar totuși, sarcina rămâne din extragerea și transportul acesteia, deoarece infrastructura benzinăriilor de hidrogen nu există.

Cu toate acestea, există și o soluție - combustibilul cu hidrocarburi lichide poate fi utilizat ca sursă de hidrogen. De exemplu, alcool etilic sau metilic. Adevărat, aici este deja necesar un dispozitiv suplimentar special - un convertor de combustibil, care transformă alcoolii într-un amestec de H2 gazos și CO2 la temperatură ridicată (pentru metanol va fi undeva în jurul valorii de 240 ° C). Dar în acest caz este deja mai dificil să ne gândim la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bine utilizate ca staționare sau alternatoare autoDar pentru echipamentele mobile compacte ai nevoie de ceva mai puțin greoi.

Și aici ajungem la acel dispozitiv, a cărui dezvoltare aproape toți cei mai mari producători de electronice sunt angajați cu o forță teribilă - celulă de combustibil metanol (figura 2).

Fig. 2. Principiul funcționării celulei de combustibil pe metanol

Diferența fundamentală între elementele de umplere cu hidrogen și metanol este catalizatorul utilizat. Catalizatorul din celula de combustibil metanol permite eliminarea protonilor direct din molecula de alcool.Astfel, problema combustibilului este rezolvată - alcoolul metilic este produs în masă pentru industria chimică, este ușor de depozitat și transportat, iar pentru a încărca o celulă de combustibil cu metanol, este suficient să înlocuiți cartușul cu combustibil. Este adevărat, există un minus semnificativ - metanolul este toxic. În plus, eficiența unei celule cu combustibil metanol este semnificativ mai mică decât cea a unei hidrogen.

Fig. 3. Celulă de combustibil metanol

Cea mai tentantă opțiune este utilizarea alcoolului etilic ca combustibil, deoarece producția și distribuția băuturilor alcoolice de orice compoziție și rezistență sunt bine stabilite pe tot globul. Cu toate acestea, din păcate, eficiența pilelor de combustibil cu etanol este chiar mai mică decât cea a metanolului.

După cum sa menționat deja de-a lungul mai multor ani de dezvoltare în domeniul celulelor de combustibil, au fost construite diverse tipuri de celule de combustibil. Pilulele de combustibil sunt clasificate în funcție de electrolit și tipul de combustibil.

1. Electrolit de hidrogen-oxigen polimer solid.

2. Celule de combustibil cu metanol polimer solid.

3. Elemente de electrolit alcalin.

4. Celule combustibile cu acid fosforic.

5. Pilule de combustibil pe carbonați topiți.

6. Celule combustibile cu oxid solid.

În mod ideal, eficiența pilelor de combustibil este foarte mare, dar în condiții reale există pierderi asociate proceselor de neechilibru, cum ar fi pierderi ohmice datorate conductivității electrolitului și electrozilor, activarea și polarizarea concentrației, pierderi de difuzie. Drept urmare, o parte din energia generată în celulele de combustibil este transformată în căldură. Eforturile specialiștilor vizează reducerea acestor pierderi.

Principala sursă de pierderi ohmice, precum și motivul pentru prețul ridicat al pilelor de combustibil, sunt membranele de schimb de ioni sulfocație perfluorurate. Acum căutăm polimeri alternativi, mai ieftini, care conduc protoni. Deoarece conductivitatea acestor membrane (electroliți solizi) atinge o valoare acceptabilă (10 Ohm / cm) doar în prezența apei, gazele furnizate celulei de combustibil trebuie să fie umezite suplimentar într-un dispozitiv special, ceea ce face ca sistemul să fie mai scump. În electrozii de difuzie a gazelor catalitice se folosesc în principal platina și alte metale nobile, și până în prezent nu s-a găsit nicio înlocuire. Deși conținutul de platină din celulele de combustibil este de câteva mg / cm2, pentru bateriile mari cantitatea sa atinge zeci de grame.

La proiectarea pilelor de combustibil, se acordă multă atenție sistemului de îndepărtare a căldurii, deoarece la densități mari de curent (până la 1A / cm2) sistemul se încălzește. Pentru răcire, se folosește apa care circulă în celula de combustibil prin canale speciale, iar la capacități mici, se utilizează suflarea aerului.

Așadar, un sistem modern al unui generator electrochimic, pe lângă acumulatorul în sine al acumulatorului, „crește” cu multe dispozitive auxiliare, cum ar fi: pompe, compresor pentru alimentare cu aer, intrare de hidrogen, umidificator de gaze, unitate de răcire, sistem de control al scurgerilor de gaz, convertor DC / AC, procesor de control etc. Toate acestea conduc la faptul că în 2004-2005 costul sistemului de baterii de combustibil a fost de 2-3 mii de dolari / kW. Potrivit experților, bateriile de combustibil vor deveni disponibile pentru utilizare în transport și în centralele staționare la un preț de 50-100 $ / kW.

Pentru introducerea celulelor de combustibil în viața de zi cu zi, împreună cu componentele mai ieftine, trebuie să vă așteptați la noi idei și abordări originale. În special, speranțele mari sunt asociate cu utilizarea nanomaterialelor și nanotehnologiei. De exemplu, recent, mai multe companii au anunțat crearea de catalizatori super-eficienți, în special, pentru un electrod cu oxigen bazat pe grupuri de nanoparticule din diferite metale. În plus, au existat rapoarte despre proiectarea de celule de combustibil fără membrană în care combustibilul lichid (cum ar fi metanolul) este furnizat celulei de combustibil împreună cu un agent oxidant.Un concept interesant este și conceptul dezvoltat de elemente de biocombustibil care funcționează în apele poluate și consumă oxigen dizolvat ca agent oxidant și impurități organice ca combustibil.

Potrivit experților, bateriile de combustibil vor intra pe piața de masă în următorii ani. Într-adevăr, dezvoltatorii cuceresc problemele tehnice una după alta, raportează succesele și prezintă prototipurile de celule de combustibil. De exemplu, Toshiba a demonstrat o prototip de celule de combustibil terminat cu metanol. Are o dimensiune de 22x56x4.5mm și oferă o putere de ordinul a 100mW. O alimentare cu 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de lucru ale playerului MP3. Toshiba a lansat o baterie comercială pentru a alimenta telefoanele mobile. Din nou, același Toshiba a demonstrat un element pentru alimentarea laptopurilor de 275x75x40mm, permițând computerului să funcționeze 5 ore de la o singură realimentare.

O altă companie japoneză, Fujitsu, nu este departe de Toshiba. În 2004, ea a introdus și un element care acționează pe o soluție apoasă de metanol 30%. Această baterie de combustibil a funcționat la o realimentare în 300 ml timp de 10 ore și, în același timp, a furnizat o putere de 15 wați.

Casio dezvoltă o celulă de combustibil în care metanolul este prelucrat mai întâi într-un amestec de H2 gazos și CO2 într-un convertor de combustibil în miniatură, și apoi introdus în celula de combustibil. În timpul demonstrației, prototipul Casio a furnizat energie electrică laptopului timp de 20 de ore.

Samsung a fost remarcat și în domeniul celulelor de combustibil - în 2004, a demonstrat prototipul său de 12 W conceput pentru a alimenta un laptop. În general, Samsung se așteaptă să folosească celule de combustibil, în principal în telefoanele inteligente de a patra generație.

Trebuie să spun că, în general, companiile japoneze au abordat foarte amănunțit dezvoltarea pilelor de combustibil. În 2003, companii precum Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony și Toshiba și-au unit forțele pentru a dezvolta un standard comun cu celule de combustibil pentru laptopuri, telefoane mobile, PDA-uri și alte dispozitive electronice. Companiile americane, care sunt de asemenea numeroase pe această piață, lucrează mai ales în baza contractelor cu armata și dezvoltă celule de combustibil pentru electrificarea soldaților americani.

Germanii nu sunt departe - Smart Fuel Cell vinde celule de combustibil pentru a alimenta un birou mobil. Dispozitivul se numește Smart Fuel Cell C25, are dimensiuni de 150x112x65mm și poate produce până la 140 de wați-oră la o singură benzinărie. Acest lucru este suficient pentru a alimenta laptopul aproximativ 7 ore. Apoi, cartușul poate fi înlocuit și puteți continua să funcționați. Dimensiunea cartușului cu metanol este de 99x63x27 mm și cântărește 150g. Sistemul în sine cântărește 1,1 kg, deci nu îl poți numi portabil, dar este totuși un dispozitiv complet și convenabil. De asemenea, compania dezvoltă un modul de combustibil pentru alimentarea camerelor video profesionale.

În general, bateriile de combustibil au intrat aproape pe piața electronicelor mobile. Producătorii sunt lăsați să rezolve ultimele probleme tehnice înainte de a începe producția în masă.

În primul rând, este necesar să se rezolve problema miniaturizării pilelor de combustibil. La urma urmei, cu cât celula de combustibil este mai mică, cu atât va fi mai mică puterea de a da - astfel se dezvoltă constant noi catalizatori și electrozi care permit o suprafață mică pentru a maximiza suprafața de lucru. Aici, la timp, cele mai noi dezvoltări în domeniul nanotehnologiei și nanomaterialelor (de exemplu, nanotuburi) vin la îndemână. Din nou, pentru a miniaturiza strappingul elementelor (pompe de combustibil și apă, sisteme de răcire și conversii de combustibil), progresele microelectromecanice sunt aplicate din ce în ce mai mult.

A doua problemă importantă care trebuie abordată este prețul. Într-adevăr, ca catalizator în majoritatea pilelor de combustibil, se folosește platina foarte scumpă.Din nou, unii dintre producători încearcă să profite la maxim de tehnologia de siliciu deja bine dezvoltată.

În ceea ce privește alte domenii ale utilizării pilelor de combustibil, celulele combustibile sunt deja bine stabilite acolo, deși nu au devenit încă mainstream în sectorul energetic sau în transport. Deja, mulți producători de mașini și-au prezentat mașinile cu concept alimentat cu celule de combustibil. În mai multe orașe din întreaga lume, autobuzele cu pile de combustie circulă. Canadian Ballard Power Systems produce o gamă de generatoare staționare cuprinse între 1 și 250 kW. În același timp, generatoarele de kilowati sunt proiectate pentru a furniza imediat un apartament cu energie electrică, căldură și apă caldă.

Vezi și: Surse alternative de energie