Introducerea tehnologiilor durabile: pile de combustibil. celule de combustibil

Beneficiile celulelor/pilelor de combustie

celule de combustibil/ celula este un dispozitiv care generează eficient curent continuu și căldură dintr-un combustibil bogat în hidrogen printr-o reacție electrochimică.

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

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

Pilele de combustie sunt foarte eficiente și nu produc cantități mari de gaze cu efect de seră, cum ar fi dioxidul de carbon, metanul și protoxidul de azot. Singurele produse emise în timpul funcționării sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu este emisă deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Pilele de combustie/pilele sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Istoria dezvoltării celulelor de combustie/pilele

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

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

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

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

Cum funcționează celulele/pilele de combustibil

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

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

Mai jos este reacția corespunzătoare:

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

Tipuri și varietate de celule de combustie/pile

La fel cum există diferite tipuri de motoare cu ardere internă, există diferite tipuri de celule de combustibil - alegerea tip potrivit pila de combustibil depinde de aplicarea acesteia.

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

Pile de combustie/pile pe carbonat topit (MCFC)

Funcționarea RCFC este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. În prezent, se folosesc două tipuri de amestecuri: carbonat de litiu și carbonat de potasiu sau carbonat de litiu și carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile carbonatice și a realiza grad înalt mobilitatea ionilor în electrolit, pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit funcționează la temperaturi ridicate (650°C). Eficiența variază între 60-80%.

Când sunt încălzite la o temperatură de 650°C, sărurile devin conductor pentru ionii de carbonat (CO 3 2-). Acești ioni trec de la catod la anod unde se combină cu hidrogenul pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

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

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

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

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

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

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

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H 3 PO 4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, din acest motiv aceste pile de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150–220°C.

Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este hidrogenul (H+, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni, în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii trec prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt direcționați de-a lungul unui circuit electric extern și este generat un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

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

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

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

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

Pile/pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

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

Un electrolit solid asigură o tranziție gazoasă ermetică de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este ionul de oxigen (O 2-). La catod, moleculele de oxigen sunt separate din aer într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul pentru a forma patru electroni liberi. Electronii sunt direcționați printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

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

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

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

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

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

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

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

Avantajul acestui tip de pile de combustie este dimensiunea lor redusă, datorită utilizării combustibilului lichid, și absența necesității utilizării unui convertor.

Pile/pile de combustibil alcaline (AFC)

Pilele de combustie alcaline sunt unul dintre cele mai eficiente elemente utilizate pentru generarea de energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

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

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

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

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

Pile/pile de combustibil cu electroliți polimeri (PETE)

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

Pile/pile de combustibil acid solid (SCFC)

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

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

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

modul de pile de combustibil

Analiza comparativă a tipurilor și varietăților de celule de combustie

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

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

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

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

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

Aplicații pentru pile de combustie/pile de combustie

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de telecomunicații

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

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

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

Unitățile de celule de combustie oferă energie de rezervă infrastructurilor critice de rețea de comunicații pentru wireless, permanent și bandă largăîn sistemul de telecomunicații, variind de la 250W la 15kW, oferă multe caracteristici inovatoare de neegalat:

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

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

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

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

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

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

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

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de comunicații

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

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

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

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

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de date

Sursa de alimentare fiabilă pentru rețelele de date, cum ar fi rețelele de date de mare viteză și coloana vertebrală cu fibră optică, este de o importanță cheie în întreaga lume. Informațiile transmise prin astfel de rețele conțin date critice pentru instituții precum bănci, companii aeriene sau centre medicale. Pana de curent în astfel de rețele nu reprezintă doar un pericol pentru informatiile transmise, dar și, de regulă, duce la pierderi financiare semnificative. Instalațiile fiabile și inovatoare de celule de combustie care oferă energie de așteptare oferă fiabilitatea de care aveți nevoie pentru a asigura o energie neîntreruptă.

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

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

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

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

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

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de securitate

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

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

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

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

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

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

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

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de distribuție

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

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

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

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

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

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

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

Acestea sunt operate de nave spațiale de la Administrația Națională a Aeronautică și Spațială a SUA (NASA). Ele furnizează energie computerelor First National Bank din Omaha. Sunt folosite pe unele autobuze publice din Chicago.

Toate acestea sunt pile de combustibil. Pilele de combustie sunt dispozitive electrochimice care generează electricitate fără un proces de ardere - prin mijloace chimice, la fel ca bateriile. Singura diferență este că folosesc alte substanțe chimice, hidrogen și oxigen, iar produsul reacției chimice este apa. Poate fi folosit și gazul natural, dar, desigur, un anumit nivel de emisii de dioxid de carbon este inevitabil atunci când se utilizează combustibili cu hidrocarburi.

Deoarece celulele de combustibil pot funcționa cu o eficiență ridicată și fără emisii dăunătoare, ele sunt foarte promițătoare ca sursă de energie durabilă care va ajuta la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră și alți poluanți. Principalul obstacol în calea utilizării pe scară largă a pilelor de combustie este costul ridicat al acestora în comparație cu alte dispozitive care generează electricitate sau propulsează vehicule.

Istoria dezvoltării

Primele celule de combustie au fost demonstrate de Sir William Groves în 1839. Groves a arătat că procesul de electroliză - scindarea apei în hidrogen și oxigen sub acțiunea unui curent electric - este reversibil. Adică, hidrogenul și oxigenul pot fi combinați chimic pentru a forma electricitate.

După ce s-a demonstrat acest lucru, mulți oameni de știință s-au grăbit să studieze pilele de combustie cu diligență, dar inventarea motorului cu ardere internă și dezvoltarea infrastructurii de extragere a rezervelor de petrol în a doua jumătate a secolului al XIX-lea au lăsat mult în urmă dezvoltarea pilelor de combustie. Și mai constrânsă dezvoltarea pilelor de combustibil costul lor ridicat.

Creșterea dezvoltării celulelor de combustibil a venit în anii 1950, când NASA a apelat la ei în legătură cu necesitatea unui generator electric compact pentru zborurile în spațiu. S-au investit fonduri adecvate, iar drept urmare, zborurile Apollo și Gemini au fost efectuate pe pile de combustie. Navele spațiale funcționează și pe celule de combustibil.

Pilele de combustibil sunt încă în mare parte tehnologie experimentală, dar deja mai multe companii le vând pe piața comercială. Numai în ultimii aproape zece ani, s-au făcut progrese semnificative în tehnologia comercială a celulelor de combustie.

Cum funcționează o celulă de combustibil

Pilele de combustibil sunt ca bateriile - generează electricitate printr-o reacție chimică. În schimb, motoarele cu ardere internă ard combustibil și astfel generează căldură, care este apoi transformată în energie mecanică. Cu excepția cazului în care căldura de la gazele de eșapament este utilizată într-un fel (de exemplu, pentru încălzire sau aer condiționat), atunci se poate spune că eficiența unui motor cu ardere internă este destul de scăzută. De exemplu, este de așteptat ca eficiența celulelor de combustie atunci când sunt utilizate într-un vehicul - un proiect în prezent în curs de dezvoltare - va fi de peste două ori mai eficientă decât motoarele pe benzină tipice de astăzi utilizate în mașini.

Deși atât bateriile, cât și celulele de combustibil generează electricitate chimic, ele îndeplinesc două funcții foarte diferite. Bateriile sunt dispozitive de stocare a energiei: electricitatea pe care o generează este rezultatul unei reacții chimice a materiei aflate deja în interiorul lor. Pilele de combustie nu stochează energie, ci transformă o parte din energia dintr-un combustibil furnizat extern în electricitate. În acest sens, o pilă de combustie seamănă mai mult cu o centrală electrică convențională.

Există mai multe tipuri diferite de celule de combustibil. Cea mai simplă pilă de combustie constă dintr-o membrană specială cunoscută sub numele de electrolit. Electrozii sub formă de pulbere sunt depuși pe ambele părți ale membranei. Acest design - un electrolit înconjurat de doi electrozi - este un element separat. Hidrogenul curge pe o parte (anod) iar oxigenul (aer) 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, care favorizează reacția de disociere:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = moleculă de hidrogen biatomic, formă, în

în care hidrogenul este prezent sub formă de gaz;

H+ = hidrogen ionizat, adică proton;

e- = electron.

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 un curent electric care poate fi folosit pentru a alimenta un dispozitiv extern conectat la celula de combustibil, cum ar fi un motor electric sau un bec. Acest dispozitiv este denumit în mod obișnuit „încărcare”.

Pe partea catodică a celulei de combustie, protonii (care au trecut prin electrolit) și electronii (care au trecut prin sarcina externă) se „recombină” și reacționează cu oxigenul furnizat catodului pentru a forma apă, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

Reacția globală în celula de combustibil este scrisă astfel:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

În activitatea lor, celulele de combustie folosesc combustibilul cu hidrogen și oxigenul din aer. Hidrogenul poate fi furnizat direct sau prin separarea acestuia de o sursă externă de combustibil, cum ar fi gazul natural, benzina sau metanolul. În cazul unei surse externe, aceasta trebuie convertită chimic pentru a extrage hidrogenul. Acest proces se numește „reformare”. Hidrogenul poate fi obținut și din amoniac, resurse alternative, cum ar fi gazul din gropile de gunoi din oraș și din stațiile de tratare a gazelor. Ape uzate, precum și prin electroliza apei, în care electricitatea este folosită pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen. În prezent, majoritatea tehnologiilor de celule de combustibil utilizate în transport folosesc metanol.

Au fost dezvoltate diferite mijloace pentru reformarea combustibilului pentru a produce hidrogen pentru celulele de combustie. Departamentul de Energie al SUA a dezvoltat o fabrică de combustibil în interiorul unui reformator de benzină pentru a furniza hidrogen unei celule de combustibil autonome. Cercetătorii de la Pacific Northwest National Laboratory din SUA au demonstrat un reformator compact de combustibil care are o zecime din dimensiunea unui pachet de energie. Compania de utilități din SUA, Northwest Power Systems și Sandia National Laboratory au demonstrat un reformator de combustibil care transformă motorina în hidrogen pentru celulele de combustibil.

Individual, celulele de combustibil produc aproximativ 0,7-1,0 volți fiecare. Pentru a crește tensiunea, elementele sunt asamblate într-o „cascada”, adică. conexiune serială. Pentru a crea mai mult curent, seturi de elemente în cascadă sunt conectate în paralel. Dacă combinați cascade de celule de combustie cu o instalație de combustibil, un sistem de alimentare cu aer și de răcire și un sistem de control, obțineți un motor cu celule de combustibil. Acest motor poate conduce vehicul, o centrală electrică staționară sau un generator electric portabil6. Motoarele cu pile de combustie vin într-o varietate de dimensiuni, în funcție de aplicație, tipul de pile de combustibil și combustibilul utilizat. De exemplu, fiecare dintre cele patru centrale electrice staționare separate de 200 kW instalate la banca din Omaha are aproximativ dimensiunea unei remorci de camion.

Aplicații

Pilele de combustie pot fi utilizate atât pe dispozitive staționare, cât și pe cele mobile. Ca răspuns la înăsprirea reglementărilor privind emisiile din SUA, producătorii de automobile, inclusiv DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda și Nissan au experimentat și au demonstrat vehicule cu celule de combustibil. Se așteaptă ca primele vehicule comerciale cu celule de combustibil să iasă pe drumuri în 2004 sau 2005.

O piatră de hotar majoră în istoria tehnologiei cu pile de combustie a fost demonstrația în iunie 1993 a unui autobuz urban experimental de 32 de picioare de la Ballard Power System cu un motor cu pile de combustibil cu hidrogen de 90 de kilowați. De atunci, mulți tipuri diferiteși diferite generații de vehicule de pasageri cu celule de combustibil alimentate de tipuri diferite combustibil. De la sfârșitul anului 1996, trei cărucioare de golf alimentate cu celule de combustibil cu hidrogen au fost folosite la Palm Desert din California. Pe drumurile din Chicago, Illinois; Vancouver, Columbia Britanică; și Oslo, Norvegia testează autobuze urbane cu celule de combustibil. Taxiurile cu celule de combustibil alcaline sunt testate pe străzile Londrei.

Instalațiile fixe care utilizează tehnologia celulelor de combustie sunt, de asemenea, demonstrate, dar nu sunt încă utilizate pe scară largă. aplicație comercială. Prima bancă națională din Omaha din Nebraska folosește un sistem de celule de combustibil pentru a alimenta computerele, deoarece sistemul este mai fiabil decât vechiul sistem de rețea cu baterie de rezervă. Cel mai mare din lume sistem comercial o celulă de combustibil de 1,2 MW va fi instalată în curând la un centru de corespondență din Alaska. De asemenea, sunt testate și demonstrate laptop-uri cu celule de combustie, sisteme de control utilizate în stațiile de epurare a apelor uzate și automate.

"Argumente pro şi contra"

Pilele de combustie au o serie de avantaje. În timp ce randamentul motoarelor moderne cu ardere internă este de doar 12-15%, pentru celulele de combustie acest coeficient este de 50%. Eficiența celulelor de combustie poate rămâne la destul de mult nivel inalt, chiar și atunci când nu sunt utilizate la puterea nominală maximă, ceea ce reprezintă un avantaj major față de motoarele pe benzină.

Natura modulară a designului celulei de combustibil înseamnă că capacitatea unei centrale electrice cu celule de combustibil poate fi mărită prin simpla adăugare a câtorva trepte. Acest lucru asigură că factorul de subutilizare a capacității este minimizat, permițând o mai bună potrivire a cererii și ofertei. Deoarece eficiența unei stive de celule de combustie este determinată de performanța celulelor individuale, centralele electrice cu celule de combustibil mici funcționează la fel de eficient ca și cele mari. În plus, căldura reziduală de la sistemele staționare cu celule de combustibil poate fi utilizată pentru încălzirea apei și a spațiului, sporind și mai mult eficiența energetică.

Când utilizați celule de combustibil, practic nu există emisii nocive. Când motorul funcționează cu hidrogen pur, se formează doar căldură și vapori de apă puri ca produse secundare. Deci, pe navele spațiale, astronauții beau apă, care se formează ca urmare a funcționării celulelor de combustibil de la bord. Compoziția emisiilor depinde de natura sursei de hidrogen. Utilizarea metanolului are ca rezultat zero emisii de oxizi de azot și monoxid de carbon și numai emisii mici de hidrocarburi. Emisiile cresc pe măsură ce treceți de la hidrogen la metanol la benzină, deși chiar și cu benzină, emisiile vor rămâne destul de scăzute. În orice caz, înlocuirea motoarelor tradiționale cu ardere internă de astăzi cu celule de combustie ar duce la o reducere generală a emisiilor de CO2 și NOx.

Utilizarea pilelor de combustie asigură flexibilitatea infrastructurii energetice, creând caracteristici suplimentare pentru producerea descentralizată a energiei. Multipletatea surselor de energie descentralizate face posibilă reducerea pierderilor de transport și dezvoltarea piețelor de vânzare a energiei (ceea ce este deosebit de important pentru zonele îndepărtate și rurale, fără acces la liniile electrice). Cu ajutorul pilelor de combustie, rezidenții sau cartierele individuale se pot asigura cu cea mai mare parte a energiei electrice și astfel crește semnificativ eficiența utilizării acesteia.

Pilele de combustibil oferă energie Calitate superioarăși fiabilitate crescută. Sunt durabile, nu au piese mobile și produc o cantitate constantă de putere.

Cu toate acestea, tehnologia celulelor de combustie trebuie îmbunătățită în continuare pentru a îmbunătăți performanța, a reduce costurile și, astfel, a face pilele de combustie competitive cu alte tehnologii energetice. Trebuie remarcat faptul că, atunci când se iau în considerare caracteristicile de cost ale tehnologiilor energetice, comparațiile ar trebui făcute pe baza tuturor componentelor. caracteristicile tehnologice inclusiv costurile de exploatare de capital, emisiile de poluanți, calitatea energiei, durabilitate, dezafectare și flexibilitate.

Deși hidrogenul gazos este cel mai bun combustibil, infrastructura sau baza de transport pentru acesta nu există încă. Pe termen scurt, sistemele existente de alimentare cu combustibili fosili (benzinări etc.) ar putea fi utilizate pentru a furniza centralelor electrice surse de hidrogen sub formă de benzină, metanol sau gaz natural. Acest lucru ar elimina necesitatea unor stații de alimentare cu hidrogen dedicate, dar ar necesita ca fiecare vehicul să fie echipat cu un convertor de combustibil fosil în hidrogen („reformator”). Dezavantajul acestei abordări este că folosește combustibili fosili și, prin urmare, are ca rezultat emisii de dioxid de carbon. Metanolul, în prezent principalul candidat, produce mai puține emisii decât benzina, dar ar necesita un rezervor de capacitate mai mare într-o mașină, deoarece ocupă de două ori mai mult spațiu pentru același conținut de energie.

Spre deosebire de sistemele de alimentare cu combustibili fosili, sistemele solare și eoliene (folosind electricitate pentru a crea hidrogen și oxigen din apă) și sistemele de fotoconversie directă (folosind materiale semiconductoare sau enzime pentru a produce hidrogen) ar putea furniza hidrogen fără o etapă de reformare și, astfel, emisiile a substanțelor nocive, care se observă la utilizarea pilelor de combustie cu metanol sau benzină, ar putea fi evitate. Hidrogenul ar putea fi stocat și transformat în energie electrică în celula de combustie, după cum este necesar. În viitor, conectarea celulelor de combustie la aceste tipuri de surse de energie regenerabilă va fi probabil o strategie eficientă pentru a oferi o sursă de energie productivă, ecologică și versatilă.

Recomandările IEER sunt ca guvernele locale, de stat și de stat să aloce o parte din bugetele lor de achiziții pentru transport vehiculelor cu celule de combustie și sistemelor staționare cu celule de combustibil pentru a furniza căldură și electricitate unora dintre clădirile lor esențiale sau noi. Acest lucru va contribui la dezvoltarea unei tehnologii vitale și va reduce emisiile de gaze cu efect de seră.

LA viața modernă sursele de curent chimic ne înconjoară peste tot: acestea sunt bateriile în lanterne, bateriile înăuntru telefoane mobile, pile de combustibil cu hidrogen care sunt deja folosite în unele vehicule. Dezvoltarea rapidă a tehnologiilor electrochimice poate duce la faptul că în viitorul apropiat, în locul mașinilor cu motoare pe benzină, vom fi înconjurați doar de vehicule electrice, telefoanele nu se vor mai epuiza rapid, iar fiecare casă va avea propria ei pilă de combustie. generator electric. Unul dintre programele comune ale Universității Federale Ural cu Institutul de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, în parteneriat cu care publicăm acest articol, este dedicat creșterii eficienței stocării electrochimice și a generatoarelor de energie. .

Astăzi, există multe tipuri diferite de baterii, printre care este din ce în ce mai dificil de navigat. Este departe de a fi clar pentru toată lumea cum diferă o baterie de un supercondensator și de ce o pilă de combustibil cu hidrogen poate fi utilizată fără teama de a dăuna mediului. În acest articol, vom vorbi despre modul în care reacțiile chimice sunt utilizate pentru a genera electricitate, care este diferența dintre principalele tipuri de surse chimice moderne de curent și ce perspective se deschid pentru energia electrochimică.

Chimia ca sursă de energie electrică

În primul rând, să vedem de ce energia chimică poate fi folosită pentru a genera electricitate. Chestia este că în reacțiile redox, electronii sunt transferați între doi ioni diferiți. Dacă cele două jumătăți ale reacției chimice sunt separate în spațiu, astfel încât oxidarea și reducerea să aibă loc separat una de cealaltă, atunci este posibil să ne asigurăm că un electron care se desprinde de un ion nu cade imediat pe al doilea, ci mai întâi. merge pe un drum prestabilit pentru ea. Această reacție poate fi folosită ca sursă de curent electric.

Acest concept a fost implementat pentru prima dată în secolul al XVIII-lea de către fiziologul italian Luigi Galvani. Acțiunea unei celule galvanice tradiționale se bazează pe reacțiile de reducere și oxidare a metalelor cu activitate diferită. De exemplu, o celulă clasică este o celulă galvanică în care zincul este oxidat și cuprul este redus. Reacțiile de reducere și de oxidare au loc, respectiv, la catod și anod. Și pentru ca ionii de cupru și zinc să nu cadă pe „teritoriu străin”, unde pot reacționa direct unul cu celălalt, între anod și catod este de obicei plasată o membrană specială. Ca urmare, între electrozi apare o diferență de potențial. Dacă conectați electrozii, de exemplu, cu un bec, atunci curentul începe să curgă în circuitul electric rezultat și becul se aprinde.

Schema unei celule galvanice

Wikimedia Commons

Pe lângă materialele anodului și catodului, o componentă importantă a sursei de curent chimic este electrolitul, în interiorul căruia se mișcă ionii și pe marginea căruia au loc toate reacțiile electrochimice cu electrozii. În acest caz, electrolitul nu trebuie să fie lichid - poate fi atât un polimer, cât și un material ceramic.

Principalul dezavantaj al unei celule galvanice este timpul limitat de funcționare. De îndată ce reacția ajunge la sfârșit (adică întregul anod care se dizolvă treptat este complet consumat), un astfel de element pur și simplu nu va mai funcționa.

Baterii alcaline pentru degete

Reîncărcabil

Primul pas către extinderea capacităților surselor de curent chimic a fost crearea unei baterii - o sursă de curent care poate fi reîncărcată și, prin urmare, reutilizată. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au propus pur și simplu să folosească reacții chimice reversibile. După descărcarea completă a bateriei pentru prima dată, cu ajutorul unei surse externe de curent, reacția care a avut loc în ea poate fi începută în sens invers. Aceasta va restabili starea inițială, astfel încât bateria să poată fi utilizată din nou după reîncărcare.

Baterie auto cu plumb-acid

Până în prezent, au fost create multe tipuri diferite de baterii, care diferă prin tipul de reacție chimică care are loc în ele. Cele mai comune tipuri de baterii sunt bateriile cu plumb-acid (sau pur și simplu cu plumb), care se bazează pe reacția de oxidare-reducere a plumbului. Astfel de dispozitive au o durată de viață destul de lungă, iar consumul lor de energie este de până la 60 de wați-oră pe kilogram. Și mai populare recent sunt bateriile litiu-ion bazate pe reacția redox cu litiu. Intensitatea energetică a bateriilor moderne litiu-ion depășește acum 250 de wați-oră pe kilogram.

Baterie Li-ion pentru telefonul mobil

Principalele probleme ale bateriilor litiu-ion sunt eficiența lor scăzută la temperaturi scăzute, îmbătrânirea rapidă și explozivitatea crescută. Și datorită faptului că metalul litiu reacționează foarte activ cu apa pentru a forma hidrogen gazos și oxigenul este eliberat atunci când bateria arde, arderea spontană a unei baterii litiu-ion este foarte dificil de utilizat cu metodele tradiționale de stingere a incendiilor. Pentru a îmbunătăți siguranța unei astfel de baterii și pentru a accelera timpul de încărcare a acesteia, oamenii de știință propun un material catod care previne formarea structurilor dendritice de litiu și adaugă la electrolit substanțe care formează structuri explozive și componente care se aprind în stadiile incipiente. .

Electrolit solid

Ca o altă modalitate mai puțin evidentă de a îmbunătăți eficiența și siguranța bateriilor, chimiștii și-au propus să nu se limiteze la electroliții lichizi din sursele de energie chimică, ci să creeze o sursă de energie în stare solidă. În astfel de dispozitive, nu există componente lichide, dar există o structură stratificată a unui anod solid, un catod solid și un electrolit solid între ele. Electrolitul îndeplinește în același timp funcția membranei. Purtătorii de sarcină dintr-un electrolit solid pot fi diverși ioni, în funcție de compoziția acestuia și de reacțiile care au loc pe anod și catod. Dar ei sunt întotdeauna ioni suficient de mici care se pot mișca relativ liber prin cristal, de exemplu, protoni H +, ioni de litiu + sau ioni de oxigen O 2-.

Pile de combustibil cu hidrogen

Capacitatea de reîncărcare și măsurile speciale de securitate fac din baterii o sursă de curent mult mai promițătoare decât bateriile convenționale, dar totuși, fiecare baterie conține o cantitate limitată de reactivi în interior și, prin urmare, o sursă limitată de energie și de fiecare dată bateria trebuie reîncărcată. pentru a-și relua performanța.

Pentru a face o baterie „infinită”, este posibil să folosiți ca sursă de energie nu acele substanțe care se află în interiorul celulei, ci combustibilul special pompat prin ea. Cel mai bine, o substanță care este cât se poate de simplă în compoziție, prietenoasă cu mediul și disponibilă din abundență pe Pământ este cea mai potrivită ca atare combustibil.

Cea mai potrivită substanță de acest tip este hidrogenul gazos. Oxidarea sa cu oxigenul atmosferic pentru a forma apă (conform reacției 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) este o reacție redox simplă, iar transportul de electroni între ioni poate fi folosit și ca sursă de curent. Reacția care se desfășoară în acest caz este un fel de reacție inversă la reacția de electroliză a apei (în care, sub acțiunea unui curent electric, apa se descompune în oxigen și hidrogen), și pentru prima dată o astfel de schemă a fost propusă înapoi în mijlocul secolului al XIX-lea.

Dar, în ciuda faptului că circuitul pare destul de simplu, crearea unui dispozitiv eficient bazat pe acest principiu nu este deloc o sarcină banală. Pentru a face acest lucru, este necesar să se separe fluxurile de oxigen și hidrogen în spațiu, să se asigure transportul ionilor necesari prin electrolit și să se reducă posibilele pierderi de energie în toate etapele de funcționare.

Schema de funcționare a unei pile de combustibil cu hidrogen

Schema unei celule de combustibil cu hidrogen care funcționează este foarte asemănătoare cu schema unei surse de curent chimic, dar conține canale suplimentare pentru alimentarea cu combustibil și oxidant și pentru îndepărtarea produselor de reacție și a gazelor furnizate în exces. Electrozii dintr-un astfel de element sunt catalizatori conductivi poroși. Combustibil gazos (hidrogen) este furnizat anodului și un agent oxidant (oxigen din aer) este furnizat catodului, iar la limita fiecărui electrozi cu electrolitul are loc propria sa jumătate de reacție (oxidarea hidrogen și, respectiv, reducerea oxigenului). În acest caz, în funcție de tipul de pile de combustie și de tipul de electrolit, formarea apei în sine poate avea loc fie în spațiul anodului, fie în cel catodic.

Pilă de combustibil cu hidrogen Toyota

Joseph Brent / flickr

Dacă electrolitul este un polimer conducător de protoni sau o membrană ceramică, o soluție acidă sau alcalină, atunci purtătorul de sarcină din electrolit este ioni de hidrogen. În acest caz, hidrogenul molecular este oxidat la anod în ioni de hidrogen, care trec prin electrolit și reacţionează acolo cu oxigenul. Dacă ionul de oxigen O 2– este purtătorul de sarcină, ca în cazul unui electrolit de oxid solid, atunci oxigenul este redus la un ion la catod, acest ion trece prin electrolit și oxidează hidrogenul la anod pentru a forma apă și liber. electronii.

Pe lângă reacția de oxidare a hidrogenului pentru celulele de combustie, s-a propus utilizarea altor tipuri de reacții. De exemplu, în loc de hidrogen, combustibilul reducător ar putea fi metanolul, care este oxidat de oxigen în dioxid de carbon și apă.

Eficiența celulei de combustibil

În ciuda tuturor avantajelor pilelor de combustie cu hidrogen (cum ar fi respectarea mediului, eficiența practic nelimitată, dimensiunea compactă și intensitatea energetică ridicată), acestea au și o serie de dezavantaje. Acestea includ, în primul rând, îmbătrânirea treptată a componentelor și dificultățile în stocarea hidrogenului. Oamenii de știință lucrează astăzi la modul de eliminare a acestor deficiențe.

În prezent se propune creșterea eficienței pilelor de combustie prin modificarea compoziției electrolitului, a proprietăților electrodului catalizatorului și a geometriei sistemului (care asigură alimentarea cu gaze combustibile la punctul dorit și reduce efectele secundare). Pentru a rezolva problema stocării hidrogenului gazos, se folosesc materiale care conțin platină, pentru saturarea cărora, de exemplu, membrane de grafen.

Ca rezultat, este posibil să se obțină o creștere a stabilității celulei de combustibil și a duratei de viață a componentelor sale individuale. Acum, coeficientul de conversie a energiei chimice în energie electrică în astfel de celule ajunge la 80 la sută, iar în anumite condiții poate fi și mai mare.

Perspectivele uriașe pentru energia hidrogenului sunt asociate cu posibilitatea combinării pilelor de combustie în baterii întregi, transformându-le în generatoare electrice cu putere mare. Chiar și acum, generatoarele electrice care funcționează pe pile de combustibil cu hidrogen au o putere de până la câteva sute de kilowați și sunt folosite ca surse de energie pentru vehicule.

Stocare electrochimică alternativă

Pe lângă sursele clasice de curent electrochimic, sisteme mai neobișnuite sunt folosite și ca dispozitive de stocare a energiei. Unul dintre aceste sisteme este un supercondensator (sau ionistor) - un dispozitiv în care separarea și acumularea sarcinii are loc datorită formării unui strat dublu în apropierea unei suprafețe încărcate. La interfața electrod-electrolit într-un astfel de dispozitiv, ionii cu semne diferite se aliniază în două straturi, așa-numitul „strat electric dublu”, formând un fel de condensator foarte subțire. Capacitatea unui astfel de condensator, adică cantitatea de încărcare acumulată, va fi determinată de suprafața specifică a materialului electrodului; prin urmare, este avantajos să luați materiale poroase cu suprafața specifică maximă ca material pentru supercondensatoare.

Ionistorii sunt campioni printre sursele de curent chimic de încărcare-descărcare în ceea ce privește rata de încărcare, ceea ce este un avantaj incontestabil al acestui tip de dispozitiv. Din păcate, aceștia sunt și deținători de recorduri în ceea ce privește viteza de descărcare. Densitatea de energie a ionistorilor este de opt ori mai mică în comparație cu bateriile cu plumb și de 25 de ori mai mică decât cele cu litiu-ion. Ionistorii clasici cu „dublu strat” nu folosesc o reacție electrochimică la miezul lor, iar termenul „condensator” este aplicat cel mai precis acestora. Cu toate acestea, în acele versiuni de ionistori, care se bazează pe o reacție electrochimică și acumularea de încărcare se extinde în adâncimea electrodului, este posibil să se obțină timpi de descărcare mai mari, menținând în același timp o rată de încărcare rapidă. Eforturile dezvoltatorilor de supercondensatoare vizează crearea de dispozitive hibride cu baterii care combină avantajele supercondensatorilor, în primul rând o rată mare de încărcare, și avantajele bateriilor - intensitate mare de energie și timp lung de descărcare. Imaginați-vă în viitorul apropiat o baterie cu ionistor care se va încărca în câteva minute și va alimenta un laptop sau un smartphone pentru o zi sau mai mult!

În ciuda faptului că acum densitatea de energie a supercondensatorilor este încă de câteva ori mai mică decât densitatea de energie a bateriilor, acestea sunt utilizate în electronice de consumși pentru motoarele diferitelor vehicule, inclusiv cele mai multe.

* * *

Astfel, astăzi există un număr mare de dispozitive electrochimice, fiecare dintre ele promițătoare pentru aplicațiile sale specifice. Pentru a îmbunătăți eficiența acestor dispozitive, oamenii de știință trebuie să rezolve o serie de probleme, atât fundamentale, cât și tehnologice. Cele mai multe dintre aceste sarcini în cadrul unuia dintre proiectele inovatoare sunt tratate la Universitatea Federală Ural, prin urmare, l-am întrebat pe Maxim Ananiev, directorul Institutului de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, Profesor al Departamentului de Tehnologie de Producție Electrochimică al Institutului de Tehnologie Chimică al Universității Federale Ural, pentru a vorbi despre planurile și perspectivele imediate pentru dezvoltarea pilelor de combustibil moderne. .

N+1: Există o alternativă la cele mai populare baterii Li-Ion în viitorul apropiat?

Maxim Ananiev: Eforturile moderne ale dezvoltatorilor de baterii vizează înlocuirea tipului de purtător de încărcare din electrolit de la litiu la sodiu, potasiu și aluminiu. Ca urmare a înlocuirii litiului, va fi posibilă reducerea costului bateriei, deși caracteristicile de greutate și dimensiune vor crește proporțional. Cu alte cuvinte, pentru aceleași caracteristici electrice, o baterie cu ioni de sodiu va fi mai mare și mai grea decât o baterie cu ioni de litiu.

În plus, unul dintre domeniile de dezvoltare promițătoare pentru îmbunătățirea bateriilor este crearea de surse de energie chimică hibridă bazate pe combinarea bateriilor cu ioni metalici cu un electrod de aer, ca în pilele de combustibil. În general, direcția creării sistemelor hibride, așa cum a fost deja arătat pe exemplul supercondensatorilor, aparent, în viitorul apropiat va face posibil să vedem pe piață surse de energie chimică cu caracteristici ridicate de consum.

Universitatea Federală Ural, împreună cu parteneri academici și industriali din Rusia și din lume, implementează în prezent șase megaproiecte care se concentrează pe domenii de descoperire. cercetare științifică. Unul dintre astfel de proiecte este „Tehnologii de perspectivă ale ingineriei energiei electrochimice de la proiectarea chimică a materialelor noi la dispozitive electrochimice de nouă generație pentru conservarea și conversia energiei”.

Grupul de oameni de știință al Școlii de Științe Naturale și Matematică UrFU al Unității Academice Strategice (SAU), care include Maxim Ananiev, este implicat în proiectarea și dezvoltarea de noi materiale și tehnologii, inclusiv pile de combustie, celule electrolitice, baterii metalice cu grafen, electrochimice. sisteme de stocare a energiei și supercondensatoare.

Cercetarea și munca stiintifica se desfășoară în colaborare constantă cu Institutul de Electrochimie la Temperatură Înaltă, Filiala Ural a Academiei Ruse de Științe și cu sprijinul partenerilor.

Ce celule de combustibil sunt în curs de dezvoltare și au cel mai mare potențial?

Unul dintre cele mai promițătoare tipuri de celule de combustibil sunt celulele cu protoni-ceramice. Acestea au avantaje față de celulele de combustibil polimerice cu membrană schimbătoare de protoni și celulele cu oxid solid, deoarece pot funcționa cu o alimentare directă cu combustibil cu hidrocarburi. Acest lucru simplifică semnificativ proiectarea unei centrale electrice bazată pe celule de combustie proton-ceramice și sistemul de control și, prin urmare, crește fiabilitatea funcționării. Adevărat, acest tip de celule de combustibil este istoric mai puțin dezvoltat în acest moment, dar cercetarea științifică modernă ne permite să sperăm la un potențial ridicat al acestei tehnologii în viitor.

Ce probleme legate de celulele de combustibil sunt tratate acum la Universitatea Federală Ural?

Acum, oamenii de știință de la UrFU, împreună cu Institutul de Electrochimie la Temperatură Înaltă (IHTE) al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, lucrează la crearea de dispozitive electrochimice extrem de eficiente și generatoare de energie autonome pentru aplicații în energia distribuită. Crearea centralelor electrice pentru energie distribuită presupune inițial dezvoltarea unor sisteme hibride bazate pe un generator de energie electrică și un dispozitiv de stocare, care sunt baterii. Totodata, pila de combustie functioneaza constant, asigurand sarcina in orele de varf, iar in regim de ralanti incarca bateria, care ea insasi poate actiona ca rezerva atat in cazul consumului mare de energie cat si in caz de situatii de urgenta.

Chimiștii de la Universitatea Federală Ural și IHTE au obținut cel mai mare succes în dezvoltarea pilelor de combustibil cu oxid solid și protoni-ceramic. Din 2016, în Urali, împreună cu Corporația de Stat Rosatom, a fost creată prima producție rusă de centrale electrice pe bază de celule de combustie cu oxid solid. Dezvoltarea oamenilor de știință din Ural a trecut deja testele „de teren” la stația de protecție catodică a gazoductului de la locul experimental al Uraltransgaz LLC. Centrala electrică cu o putere nominală de 1,5 kilowați a funcționat mai mult de 10 mii de ore și a demonstrat un potențial ridicat pentru utilizarea unor astfel de dispozitive.

În cadrul laboratorului comun al Universității Federale Ural și al IHTE, sunt dezvoltate dispozitive electrochimice bazate pe o membrană ceramică conducătoare de protoni. Acest lucru va face posibilă în viitorul apropiat reducerea temperaturilor de funcționare a pilelor de combustie cu oxid solid de la 900 la 500 de grade Celsius și renunțarea la reformarea preliminară a combustibilului cu hidrocarburi, creând astfel generatoare electrochimice rentabile, capabile să funcționeze în condițiile unui a dezvoltat infrastructura de alimentare cu gaze în Rusia.

Alexandru Dubov

Ecologia cunoașterii Știință și tehnologie: Energia cu hidrogen este una dintre cele mai eficiente industrii, iar celulele de combustie îi permit să rămână în fruntea tehnologiilor inovatoare.

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

O celulă de combustibil este similară cu o baterie prin faptul că generează curent continuu printr-o reacție chimică. Din nou, ca o baterie, o pilă de combustibil include un anod, un catod și un electrolit. Cu toate acestea, spre deosebire de baterii, celulele de combustie nu pot stoca energie electrică, nu se descarcă și nu necesită reîncărcare a energiei electrice. Pilele de combustie pot genera în mod continuu energie electrică atâta timp cât au o sursă de combustibil și aer. Termenul corect pentru a descrie o pilă de combustibil funcțională, este un sistem de elemente, deoarece unele sisteme auxiliare sunt necesare pentru funcționarea completă.

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

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

Principiul de funcționare al celulelor de combustie

Pilele de combustie generează electricitate și căldură datorită reacției electrochimice în curs, folosind un electrolit, un catod și un anod.

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

Mai jos este reacția corespunzătoare:

Reacția anodului: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reacția la catod: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Tipuri de celule de combustie

Similar cu existența diferitelor tipuri de motoare cu ardere internă, există diferite tipuri de pile de combustie - alegerea tipului adecvat de pile de combustie depinde de aplicarea acestuia.Pilele de combustie sunt împărțite în temperatură ridicată și temperatură scăzută. Pilele de combustibil cu temperatură joasă necesită hidrogen relativ pur drept combustibil.

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

Elemente de combustibil pe carbonat topit (MCFC).

Pilele de combustie cu electroliți de carbonat topit sunt pile de combustie la temperaturi înalte. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără un procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din combustibili de proces și alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 1960. De atunci, tehnologia de fabricație, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.

Funcționarea RCFC este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. În prezent, se folosesc două tipuri de amestecuri: carbonat de litiu și carbonat de potasiu sau carbonat de litiu și carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile carbonatice și pentru a obține un grad ridicat de mobilitate a ionilor în electrolit, pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit funcționează la temperaturi ridicate (650°C). Eficiența variază între 60-80%.

Când sunt încălzite la o temperatură de 650°C, sărurile devin conductor pentru ionii de carbonat (CO32-). Acești ioni trec de la catod la anod unde se combină cu hidrogenul pentru a forma apă, dioxid de carbon și electroni liberi. Acești electroni sunt trimiși printr-un circuit electric extern înapoi la catod, generând curent electric și căldură ca produs secundar.

Reacția anodului: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reacția la catod: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Reacția generală a elementului: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(catod) => H2O(g) + CO2(anod)

Pilele de combustibil cu carbonat topit sunt potrivite pentru utilizare în instalații staționare mari. Centralele termice cu o putere electrică de ieșire de 2,8 MW sunt produse industrial. Sunt în curs de dezvoltare centrale cu o putere de ieșire de până la 100 MW.

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

Pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) au fost primele pile de combustie destinate utilizării comerciale. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 1960 și a fost testat încă din anii 1970. De atunci, stabilitatea, performanța și costurile au crescut.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) cu o concentrație de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, din acest motiv aceste pile de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150–220°C.

Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este hidrogenul (H+, proton). Un proces similar are loc în celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MEFC), în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii trec prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt direcționați de-a lungul unui circuit electric extern și este generat un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează electricitate și căldură.

Reacția anodului: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reacția la catod: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Performanța ridicată a centralelor termice pe pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de căldură și electricitate este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Plantele folosesc monoxid de carbon la o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde foarte mult alegerea combustibilului. În plus, CO2 nu afectează electrolitul și funcționarea celulei de combustie, acest tip de celulă funcționează cu combustibil natural reformat. Construcția simplă, volatilitatea scăzută a electroliților și stabilitatea sporită sunt, de asemenea, avantaje ale acestui tip de pile de combustie.

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

Pile de combustie cu membrană de schimb de protoni (PME)

Pilele de combustie cu membrană schimbătoare de protoni sunt considerate cel mai bun tip de celule de combustibil pentru generarea de energie a vehiculelor, care pot înlocui motoarele cu combustie internă pe benzină și diesel. Aceste celule de combustibil au fost folosite pentru prima dată de NASA pentru programul Gemini. Astăzi sunt dezvoltate și demonstrate instalații pe MOPFC cu o putere de la 1 W la 2 kW.

Aceste celule de combustibil folosesc o membrană polimerică solidă (film subțire de plastic) ca electrolit. Când este impregnat cu apă, acest polimer trece protoni, dar nu conduce electronii.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, molecula de hidrogen este separată într-un ion de hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, în timp ce electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este alimentat la catod și se combină cu electroni și ionii de hidrogen pentru a forma apă. Pe electrozi au loc următoarele reacții:

Reacția anodului: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

În comparație cu alte tipuri de celule de combustie, celulele de combustie cu membrană cu schimb de protoni produc mai multă putere pentru un anumit volum sau greutate al celulei de combustibil. Această caracteristică le permite să fie compacte și ușoare. În plus, temperatura de funcționare este mai mică de 100°C, ceea ce vă permite să începeți rapid funcționarea. Aceste caracteristici, precum și capacitatea de a modifica rapid producția de energie, sunt doar câteva dintre caracteristicile care fac din aceste celule de combustibil un candidat principal pentru utilizare în vehicule.

Un alt avantaj este că electrolitul este mai degrabă o substanță solidă decât o substanță lichidă. Menținerea gazelor la catod și anod este mai ușoară cu un electrolit solid și, prin urmare, astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de produs. În comparație cu alți electroliți, utilizarea unui electrolit solid nu provoacă probleme precum orientarea, există mai puține probleme din cauza apariției coroziunii, ceea ce duce la o durabilitate mai mare a celulei și a componentelor acesteia.

Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

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

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

Reacția anodului: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reacția la catod: O2 + 4e- => 2O2-
Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului (DOMTE)

Structura celulelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele de combustie cu membrană de schimb de protoni (MOFEC), adică. un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Cu toate acestea, metanolul lichid (CH3OH) este oxidat în prezența apei la anod, eliberând CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt ghidați printr-un circuit electric extern și se generează un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacția anodului: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reacția la catod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Reacția generală a elementului: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Dezvoltarea acestor celule de combustibil a început la începutul anilor 1990. După dezvoltarea catalizatorilor îmbunătățiți și datorită altor inovații recente, densitatea puterii și eficiența au crescut cu până la 40%.

Aceste elemente au fost testate în intervalul de temperatură de 50-120°C. Cu temperaturi scăzute de funcționare și fără nevoie de un convertor, pilele de combustie cu metanol direct sunt cel mai bun candidat pentru aplicații, de la telefoane mobile și alte produse de larg consum până la motoarele de automobile. Avantajul acestui tip de pile de combustie este dimensiunea lor redusă, datorită utilizării combustibilului lichid, și absența necesității utilizării unui convertor.

Pile de combustibil alcaline (AFC)

Pilele de combustibil alcaline (ALFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii și au fost folosite încă de la mijlocul anilor 1960. de către NASA în programele Apollo și Space Shuttle. La bordul acestora nave spațiale pilele de combustibil produc energie electrică şi bând apă. Pilele de combustie alcaline sunt unul dintre cele mai eficiente elemente utilizate pentru generarea de energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

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

Reacția anodului: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reacția generală a sistemului: 2H2 + O2 => 2H2O

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

Una dintre caracteristicile SFC este sensibilitatea sa ridicată la CO2, care poate fi conținut în combustibil sau aer. CO2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SFC este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea trebuie să funcționeze cu hidrogen și oxigen pur. Mai mult, molecule precum CO, H2O și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustibil și chiar combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SFC.

Pile de combustibil cu electrolit polimer (PETE)

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

Pile de combustibil acid solid (SCFC)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO4) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 100-300°C. Rotația anionilor SO42-oxi permite protonilor (roșu) să se miște așa cum se arată în figură.

De obicei, o pilă de combustie cu acid solid este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi strâns comprimați pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, păstrând capacitatea numeroaselor contacte între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al celulei), electrolit și electrozi.

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de lucru	Eficiență de generare a energiei	Tipul combustibilului	Zona de aplicare
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalatii medii si mari
FKTE	100–220°C	35-40%	hidrogen pur	Instalatii mari
MOPTE	30-100°C	35-50%	hidrogen pur	Instalații mici
SOFC	450–1000°C	45-70%	Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi	Instalatii mici, medii si mari
POMTE	20-90°C	20-30%	metanol	Unități portabile
SHTE	50–200°C	40-65%	hidrogen pur	cercetare spatiala
PETE	30-100°C	35-50%	hidrogen pur	Instalații mici

Alăturați-vă nouă la

Statele Unite au luat mai multe inițiative pentru a dezvolta pile de combustibil cu hidrogen, infrastructura și tehnologiile pentru a face vehiculele cu celule de combustibil practice și economice până în 2020. Peste un miliard de dolari a fost alocat în aceste scopuri.

Pilele de combustie generează electricitate în liniște și eficient, fără a polua mediul. Spre deosebire de sursele de energie din combustibili fosili, produsele secundare ale celulelor de combustibil sunt căldura și apa. Cum functioneaza?

În acest articol, vom trece în revistă pe scurt fiecare dintre tehnologiile de combustibil existente astăzi, vom vorbi despre proiectarea și funcționarea pilelor de combustibil și le vom compara cu alte forme de producere a energiei. Vom discuta, de asemenea, unele dintre obstacolele cu care se confruntă cercetătorii în a face pilele de combustie practice și accesibile pentru consumatori.

Pilele de combustibil sunt dispozitive de conversie a energiei electrochimice. Pila de combustibil transformă substanțele chimice, hidrogenul și oxigenul, în apă, în procesul generând energie electrică.

Un alt dispozitiv electrochimic cu care suntem cu toții foarte familiarizați este bateria. Bateria are tot ce este necesar elemente chimiceîn interiorul său și transformă aceste substanțe în electricitate. Asta înseamnă că în cele din urmă bateria „se stinge” și fie o arunci, fie o reîncarci.

Într-o celulă de combustibil, substanțele chimice sunt introduse în mod constant în ea, astfel încât să nu „moară”. Electricitatea va fi generată atâta timp cât există un flux substanțe chimiceîn element. Majoritatea celulelor de combustie utilizate astăzi folosesc hidrogen și oxigen.

Hidrogenul este cel mai comun element din galaxia noastră. Cu toate acestea, hidrogenul practic nu există pe Pământ în forma sa elementară. Inginerii și oamenii de știință trebuie să extragă hidrogen pur din compușii hidrogenului, inclusiv din combustibilii fosili sau din apă. Pentru a extrage hidrogenul din acești compuși, trebuie să cheltuiți energie sub formă de căldură sau electricitate.

Invenția pilelor de combustibil

Sir William Grove a inventat prima celulă de combustibil în 1839. Grove știa că apa poate fi împărțită în hidrogen și oxigen prin trecerea unui curent electric prin ea (un proces numit electroliză). El a sugerat că în ordine inversă s-ar putea obține energie electrică și apă. El a creat o celulă de combustibil primitivă și a numit-o baterie galvanică pe gaz. După ce a experimentat cu noua sa invenție, Grove și-a dovedit ipoteza. Cincizeci de ani mai târziu, oamenii de știință Ludwig Mond și Charles Langer au inventat termenul celule de combustibil atunci când se încearcă construirea unui model practic pentru generarea de energie.

Pila de combustibil va concura cu multe alte dispozitive de conversie a energiei, inclusiv turbinele cu gaz din centralele urbane, motoarele cu ardere internă în mașini și bateriile de toate tipurile. Motoarele cu ardere internă, cum ar fi turbinele cu gaz, ard tipuri diferite combustibil și să folosească presiunea creată de expansiunea gazelor pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile transformă energia chimică în energie electrică atunci când este necesar. Pilele de combustie trebuie să îndeplinească aceste sarcini mai eficient.

Celula de combustie furnizează tensiune DC (curent continuu) care poate fi folosită pentru a alimenta motoare electrice, iluminat și alte aparate electrice.

Există mai multe tipuri diferite de celule de combustibil, fiecare folosind procese chimice diferite. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de acestea Temperatura de Operareși tipelectrolit, pe care le folosesc. Unele tipuri de celule de combustie sunt potrivite pentru utilizarea în centralele electrice staționare. Altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru alimentarea mașinilor. Principalele tipuri de celule de combustibil includ:

Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)

PEMFC este considerat cel mai probabil candidat pentru aplicații de transport. PEMFC are atât putere mare, cât și temperatură de funcționare relativ scăzută (în intervalul de la 60 la 80 de grade Celsius). Temperatura scăzută de funcționare înseamnă că celulele de combustibil se pot încălzi rapid pentru a începe să genereze electricitate.

Pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Aceste pile de combustibil sunt cele mai potrivite pentru generatoarele de energie staționare mari care ar putea furniza energie electrică fabricilor sau orașelor. Acest tip de pile de combustibil funcționează la temperaturi foarte ridicate (700 până la 1000 de grade Celsius). Temperatura ridicată este o problemă de fiabilitate, deoarece unele dintre celulele de combustibil se pot defecta după mai multe cicluri de pornire și oprire. Cu toate acestea, celulele de combustibil cu oxid solid sunt foarte stabile în funcționare continuă. Într-adevăr, SOFC-urile au demonstrat cea mai lungă durată de funcționare a oricărei celule de combustie în anumite condiții. Temperatura ridicată are și avantajul că aburul generat de celulele de combustie poate fi direcționat către turbine și poate genera mai multă energie electrică. Acest proces se numește cogenerare de căldură și electricitateși îmbunătățește eficiența generală a sistemului.

Pilă de combustibil alcalină (AFC)

Este unul dintre cele mai vechi modele de celule de combustibil, folosit încă din anii 1960. AFC-urile sunt foarte susceptibile la poluare, deoarece necesită hidrogen pur și oxigen. În plus, sunt foarte scumpe, așa că este puțin probabil ca acest tip de pile de combustie să fie puse în producție de masă.

Celulă de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

La fel ca SOFC, aceste celule de combustibil sunt, de asemenea, cele mai potrivite pentru centralele electrice staționare mari și generatoare. Acestea funcționează la 600 de grade Celsius, astfel încât să poată genera abur, care, la rândul său, poate fi folosit pentru a genera și mai multă putere. Au o temperatură de funcționare mai scăzută decât pilele de combustie cu oxid solid, ceea ce înseamnă că nu au nevoie de astfel de materiale rezistente la căldură. Acest lucru le face puțin mai ieftine.

Pilă de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pilă de combustibil cu acid fosforic are potențialul de utilizare în sisteme electrice staționare mici. Funcționează la o temperatură mai mare decât o celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri, deci este nevoie de mai mult timp pentru a se încălzi, ceea ce o face nepotrivită pentru utilizarea în automobile.

Pile de combustie cu metanol Pile de combustie cu metanol direct (DMFC)

Pilele de combustibil cu metanol sunt comparabile cu PEMFC în ceea ce privește temperatura de funcționare, dar nu sunt la fel de eficiente. În plus, DMFC necesită destul de multă platină ca catalizator, ceea ce face ca aceste celule de combustibil să fie scumpe.

Celulă de combustie cu membrană schimbătoare de polimeri

Celula de combustibil cu membrană de schimb de polimeri (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru celulele de combustibil. PEMFC folosește una dintre cele mai simple reacții ale oricărei celule de combustie. Luați în considerare în ce constă.

1. DAR nodul – Terminalul negativ al celulei de combustie. Conduce electronii care sunt eliberați din moleculele de hidrogen, după care pot fi utilizați într-un circuit extern. Este gravat cu canale prin care hidrogenul gazos este distribuit uniform pe suprafața catalizatorului.

2.La atom - terminalul pozitiv al celulei de combustie are si canale pentru distribuirea oxigenului pe suprafata catalizatorului. De asemenea, conduce electronii înapoi din lanțul exterior al catalizatorului, unde se pot combina cu ioni de hidrogen și oxigen pentru a forma apă.

3.Membrană schimbătoare electrolit-protoni. Este un material tratat special care conduce numai ionii încărcați pozitiv și blochează electronii. În PEMFC, membrana trebuie să fie hidratată pentru a funcționa corect și a rămâne stabilă.

4. Catalizator este un material special care favorizează reacția oxigenului și hidrogenului. Este de obicei realizat din nanoparticule de platină depuse foarte subțire pe hârtie de carbon sau țesătură. Catalizatorul are o structură de suprafață astfel încât suprafața maximă a platinei poate fi expusă la hidrogen sau oxigen.

Figura arată hidrogenul gazos (H2) care intră sub presiune în celula de combustie din partea anodului. Când o moleculă de H2 intră în contact cu platina de pe catalizator, aceasta se împarte în doi ioni H+ și doi electroni. Electronii trec prin anod unde sunt utilizați într-un circuit extern (performant muncă utilă, cum ar fi rotația motorului) și reveniți pe partea catodică a celulei de combustie.

Între timp, pe partea catodică a celulei de combustie, oxigenul (O2) din aer trece prin catalizator unde formează doi atomi de oxigen. Fiecare dintre acești atomi are o sarcină negativă puternică. Această sarcină negativă atrage doi ioni H+ prin membrană, unde se combină cu un atom de oxigen și doi electroni din circuitul extern pentru a forma o moleculă de apă (H2O).

Această reacție într-o singură pilă de combustibil produce doar aproximativ 0,7 volți. Pentru a ridica tensiunea la un nivel rezonabil, multe celule de combustibil individuale trebuie combinate pentru a forma o stivă de celule de combustibil. Plăcile bipolare sunt folosite pentru a conecta o celulă de combustibil la alta și sunt supuse oxidării cu potențial în scădere. Marea problemă a plăcilor bipolare este stabilitatea lor. Plăcile bipolare metalice pot fi corodate, iar produsele secundare (ioni de fier și crom) reduc eficiența membranelor și electrozilor celulelor de combustie. Prin urmare, pilele de combustie la temperatură joasă folosesc metale ușoare, grafit și compuși compoziți din carbon și material termorigid (materialul termorigid este un fel de plastic care rămâne solid chiar și atunci când este supus la temperaturi ridicate) sub forma unei foi de material bipolar.

Eficiența celulei de combustibil

Reducerea poluării este unul dintre obiectivele principale ale unei celule de combustibil. Comparând o mașină alimentată de o celulă de combustibil cu o mașină alimentată de un motor pe benzină și o mașină alimentată de o baterie, puteți vedea cum celulele de combustibil ar putea îmbunătăți eficiența mașinilor.

Deoarece toate cele trei tipuri de mașini au multe din aceleași componente, vom ignora această parte a mașinii și vom compara actiuni benefice până la punctul în care se produce energie mecanică. Să începem cu mașina cu pile de combustibil.

Dacă o pilă de combustie este alimentată cu hidrogen pur, eficiența acesteia poate fi de până la 80%. Astfel, transformă 80% din conținutul energetic al hidrogenului în energie electrică. Totuși, mai trebuie să transformăm energia electrică în lucru mecanic. Acest lucru se realizează printr-un motor electric și un invertor. Eficiența motorului + invertorului este, de asemenea, de aproximativ 80 la sută. Aceasta oferă o eficiență generală de aproximativ 80*80/100=64%. Se pare că conceptul vehiculului Honda FCX are o eficiență energetică de 60%.

Dacă sursa de combustibil nu este sub formă de hidrogen pur, atunci vehiculul va avea nevoie și de un reformator. Reformatorii transformă combustibilii cu hidrocarburi sau alcool în hidrogen. Ele generează căldură și produc CO și CO2 pe lângă hidrogen. Pentru a purifica hidrogenul rezultat, ei folosesc diverse dispozitive, dar această curățare este insuficientă și reduce eficiența celulei de combustie. Prin urmare, cercetătorii au decis să se concentreze pe celulele de combustie pentru vehiculele care rulează pe hidrogen pur, în ciuda problemelor asociate cu producerea și stocarea hidrogenului.

Eficiența unui motor pe benzină și a unei mașini pe baterii electrice

Eficiența unei mașini alimentate cu benzină este surprinzător de scăzută. Toată căldura care iese sub formă de evacuare sau este absorbită de radiator este energie risipită. Motorul folosește, de asemenea, multă energie pentru a porni diferitele pompe, ventilatoare și generatoare care îl mențin în funcțiune. Astfel, eficiența globală a unui motor pe benzină de automobile este de aproximativ 20 la sută. Astfel, doar aproximativ 20% din conținutul de energie termică al benzinei este transformat în lucru mecanic.

Un vehicul electric alimentat de baterii are o eficiență destul de ridicată. Bateria are o eficiență de aproximativ 90 la sută (majoritatea bateriilor generează ceva căldură sau necesită încălzire), iar motorul + invertorul are o eficiență de aproximativ 80 la sută. Acest lucru oferă o eficiență generală de aproximativ 72 la sută.

Dar asta nu este tot. Pentru ca o mașină electrică să se deplaseze, electricitatea trebuie mai întâi generată undeva. Dacă era o centrală electrică care folosea un proces de ardere a combustibililor fosili (mai degrabă decât energie nucleară, hidroelectrică, solară sau eoliană), atunci doar aproximativ 40% din combustibilul consumat de centrală a fost transformat în energie electrică. În plus, procesul de încărcare a unei mașini necesită conversia curentului alternativ (AC) în curent continuu (DC). Acest proces are o eficiență de aproximativ 90 la sută.

Acum, dacă ne uităm la întregul ciclu, eficiența unui vehicul electric este de 72% pentru mașina în sine, 40% pentru centrala electrică și 90% pentru încărcarea mașinii. Acest lucru oferă o eficiență generală de 26 la sută. Eficiența generală variază considerabil în funcție de centrala electrică utilizată pentru a încărca bateria. Dacă energia electrică pentru o mașină este generată, de exemplu, de o centrală hidroelectrică, atunci randamentul unei mașini electrice va fi de aproximativ 65 la sută.

Oamenii de știință cercetează și perfecționează design-uri pentru a îmbunătăți în continuare eficiența celulelor de combustibil. Una dintre noile abordări este de a combina vehiculele alimentate cu celule de combustibil și baterii. Un vehicul concept este în curs de dezvoltare pentru a fi propulsat de un motor hibrid alimentat cu celule de combustibil. Folosește o baterie cu litiu pentru a alimenta mașina în timp ce o celulă de combustibil reîncarcă bateria.

Vehiculele cu celule de combustibil sunt potențial la fel de eficiente ca o mașină alimentată cu baterii care este încărcată de la o centrală electrică fără combustibili fosili. Dar realizarea unui astfel de potențial prin practică și mod accesibil se poate dovedi dificil.

De ce să folosiți pile de combustibil?

Motivul principal este tot ce are legătură cu uleiul. America trebuie să importe aproape 60% din petrolul său. Până în 2025, se preconizează că importurile vor crește la 68%. Americanii folosesc zilnic două treimi din petrol pentru transport. Chiar dacă fiecare mașină de pe stradă ar fi o mașină hibridă, până în 2025 SUA ar trebui să folosească în continuare aceeași cantitate de ulei pe care americanii au consumat-o în 2000. Într-adevăr, America consumă un sfert din tot petrolul produs în lume, deși aici trăiește doar 4,6% din populația lumii.

Experții se așteaptă ca prețurile petrolului să continue să crească în următoarele câteva decenii, pe măsură ce sursele mai ieftine se usucă. Companiile petroliere ar trebui să se dezvolte campuri petroliereîn condiții din ce în ce mai dificile, determinând creșterea prețului petrolului.

Temerile se extind mult dincolo securitate economică. O mare parte din veniturile din vânzarea petrolului sunt cheltuite pentru sprijinirea terorismului internațional, a partidelor politice radicale și a situației instabile din regiunile producătoare de petrol.

Utilizarea petrolului și a altor combustibili fosili pentru energie produce poluare. Cel mai bine este ca toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.

Pilele de combustie sunt o alternativă atractivă la dependența de petrol. Pilele de combustie produc apă curată ca produs secundar în loc de poluare. În timp ce inginerii s-au concentrat temporar pe producerea hidrogenului din diverse surse fosile, cum ar fi benzina sau gazul natural, modalități regenerabile și ecologice de a produce hidrogen în viitor sunt explorate. Cel mai promițător, desigur, va fi procesul de obținere a hidrogenului din apă.

Dependența de petrol și încălzirea globală este o problemă internațională. Mai multe țări sunt implicate în comun în dezvoltarea cercetării și dezvoltării pentru tehnologia celulelor de combustie.

În mod clar, oamenii de știință și producătorii au mult de lucru înainte ca celulele de combustie să devină o alternativă. metode moderne producere de energie. Și totuși, cu sprijinul lumii întregi și cooperarea globală, un sistem energetic viabil bazat pe celule de combustibil poate deveni realitate în câteva decenii.

CLOPOTUL

Istoria dezvoltării celulelor de combustie/pilele

Cum funcționează celulele/pilele de combustibil

Tipuri și varietate de celule de combustie/pile

Pile de combustie/pile pe carbonat topit (MCFC)

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

Pile/pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

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

Pile/pile de combustibil alcaline (AFC)

Pile/pile de combustibil cu electroliți polimeri (PETE)

Pile/pile de combustibil acid solid (SCFC)

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

Analiza comparativă a tipurilor și varietăților de celule de combustie

Aplicații pentru pile de combustie/pile de combustie

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de telecomunicații

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de comunicații

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de date

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de securitate

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

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de distribuție

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

Chimia ca sursă de energie electrică

Reîncărcabil

Electrolit solid

Pile de combustibil cu hidrogen

Eficiența celulei de combustibil

Stocare electrochimică alternativă

* * *

Principiul de funcționare al celulelor de combustie

Invenția pilelor de combustibil

Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)

Pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pilă de combustibil alcalină (AFC)

Celulă de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pilă de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Celulă de combustie cu membrană schimbătoare de polimeri

Eficiența celulei de combustibil

Eficiența unui motor pe benzină și a unei mașini pe baterii electrice

De ce să folosiți pile de combustibil?

Citeste si

Unde să găsești un loc de muncă cu un salariu bun: cele mai bune locuri de muncă bine plătite în Belarus Anunțuri de locuri de muncă în Belarus

Muncă și angajare în Marea Britanie

Cum se scrie o scrisoare de recomandare

CLOPOTUL