Celulă de combustie cu alcool fabricată din materiale vechi. Instalatii de celule de combustibil. Celulă de combustibil DIY acasă. Pilele de combustie sunt folosite și în sectorul civil

Pregătiți tot ce aveți nevoie. Pentru a face o celulă de combustie simplă, veți avea nevoie de 12 inci de sârmă acoperită cu platină sau platină, un bețișor de ghiveci, o baterie de 9 volți și suport pentru baterie, bandă adezivă transparentă, un pahar cu apă, sare de masă (opțional), un metal subțire tijă și un voltmetru.

• O baterie de 9 volți și un suport pentru baterie pot fi achiziționate de la un magazin de electronice sau hardware.

Tăiați două bucăți de 15 centimetri lungime din sârmă de platină sau acoperită cu platină. Sârma de platină este folosită în scopuri speciale și poate fi achiziționată de la un magazin de electronice. Va servi drept catalizator pentru reacție.

Înfășurați bucăți de sârmă în jurul unei tije subțiri de metal pentru a crea forma unor arcuri. Aceștia vor fi electrozii celulei de combustie. Prinde capătul sârmei și înfășoară-l strâns în jurul tijei pentru a crea un arc elicoidal. Scoateți primul fir din tijă și înfășurați a doua bucată de sârmă.

• Puteți folosi un cui, un cuier de sârmă sau o sondă de testare ca tijă pentru înfășurarea sârmei.

Tăiați firele suportului bateriei în jumătate. Luați tăietoarele de sârmă, tăiați ambele fire atașate de suport în jumătate și îndepărtați izolația de pe ele. Veți atașa aceste fire goale la electrozi.

• Folosind partea corespunzătoare a tăietorilor de sârmă, îndepărtați izolația de la capetele firului. Îndepărtați izolația de la capetele firelor pe care le tăiați de la suportul bateriei.
• Tăiați firul sub supravegherea unui adult.

Atașați capetele firelor, dezbrăcate de izolație, la electrozi. Conectați firele la electrozi, astfel încât să puteți conecta apoi o sursă de alimentare (suport pentru baterie) și un voltmetru pentru a determina cât de multă tensiune produce celula de combustibil.

• Răsuciți firul roșu al suportului bateriei și firul roșu tăiat în jurul capătului superior al uneia dintre bobinele de sârmă, lăsând cea mai mare parte liberă.
• Înfășurați capătul superior al celei de-a doua bobine cu firul negru al suportului bateriei și firul negru tăiat.

Atașați electrozii la un bețișor de popsicle sau o tijă de lemn. Batonul de popsicle ar trebui să fie mai lung decât gâtul paharului cu apă, astfel încât să se poată sprijini deasupra acestuia. Lipiți electrozii astfel încât să atârne de băț și să cadă în apă.

• Puteți folosi bandă transparentă sau bandă electrică. Principalul lucru este că electrozii sunt atașați bine de stick.

Turnați apă de la robinet sau sărată într-un pahar. Pentru ca reacția să aibă loc, apa trebuie să conțină electroliți. Apa distilată nu este potrivită pentru aceasta, deoarece nu conține impurități care pot servi drept electroliți. Pentru ca reacția chimică să decurgă normal, puteți dizolva sarea sau bicarbonatul de sodiu în apă.

• Apa obișnuită de la robinet conține și impurități minerale, așa că poate fi folosită ca electrolit dacă nu aveți sare la îndemână.
• Adăugați sare sau bicarbonat de sodiu în proporție de o lingură (20 de grame) pe pahar de apă. Amestecați apa până când sarea sau bicarbonatul de sodiu se dizolvă complet.

Pune un bețișor cu electrozi pe gâtul unui pahar cu apă.În acest caz, electrozii sub formă de arcuri de sârmă ar trebui să fie scufundați în apă pe cea mai mare parte a lungimii lor, cu excepția contactelor cu firele suportului bateriei. Numai firul de platină ar trebui să fie sub apă.

• Dacă este necesar, fixați stick-ul cu bandă adezivă pentru a menține electrozii în apă.

Conectați firele care vin de la electrozi la un voltmetru sau un bec LED. Folosind un voltmetru, puteți determina tensiunea produsă de celula de combustibil activată. Conectați firul roșu la borna pozitivă și firul negru la borna negativă a voltmetrului.

• În această etapă, voltmetrul poate afișa o valoare mică, de exemplu 0,01 volți, deși tensiunea pe el ar trebui să fie zero.
• De asemenea, puteți conecta un bec mic, cum ar fi o lanternă sau un LED.

Pilele de combustibil cu hidrogen transformă energia chimică a combustibilului în energie electrică, ocolind procesele ineficiente de ardere și conversia energiei termice în energie mecanică, care implică pierderi mari. O celulă de combustibil cu hidrogen este electrochimic Dispozitivul generează direct energie electrică ca urmare a arderii „la rece” extrem de eficiente a combustibilului. Celula de combustibil cu membrană de schimb de protoni hidrogen-aer (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru celulele de combustibil.

În urmă cu opt ani, în Europa de Vest au fost descoperite șase pompe de motorină lichidă; trebuie să fie două sute înainte de sfârșit. Suntem departe de miile de terminale de încărcare rapidă care cloc peste tot pentru a încuraja răspândirea propulsiei electrice. Și acolo doare frecarea. Și mai bine anunțăm grafenul.

Bateriile nu au avut ultimul cuvânt

Este mai mult decât autonomie, motiv pentru care limitarea timpilor de încărcare încetinește adoptarea EV. Totuși, el a amintit într-o notă din această lună către clienții săi că bateriile au o limitare, limitată la acest tip de sondă la tensiuni foarte mari. Lui Thomas Brachman i se va spune că mai trebuie construită o rețea de distribuție a hidrogenului. Argumentul este că mătură mâna, amintind că înmulțirea terminalelor de încărcare rapidă este și ea foarte costisitoare, din cauza secțiunii transversale mari a cablurilor de cupru de înaltă tensiune. „Este mai ușor și mai ieftin să transportați hidrogenul lichefiat cu camionul din rezervoarele îngropate din apropierea locurilor de producție.”

O membrană polimerică conducătoare de protoni separă doi electrozi - anodul și catodul. Fiecare electrod este o placă de carbon (matrice) acoperită cu un catalizator. La catalizatorul anod, hidrogenul molecular se disociază și cedează electroni. Cationii de hidrogen sunt conduși prin membrană către catod, dar electronii sunt dați în circuitul extern, deoarece membrana nu permite trecerea electronilor.

Hidrogenul nu este încă un vector pur de electricitate

În ceea ce privește costul bateriei în sine, care este o informație foarte sensibilă, Thomas Brachmann nu are nicio îndoială că poate fi redus semnificativ pe măsură ce crește eficiența. „Platina este elementul care costă mai mult.” Din păcate, aproape tot hidrogenul provine din surse de energie fosilă. Mai mult, dihidrogenul este doar un vector de energie, și nu o sursă din care o parte neneglijabilă este consumată în timpul producerii sale, al lichefierii sale și apoi al conversiei sale în energie electrică.

La catalizatorul catod, o moleculă de oxigen se combină cu un electron (care este furnizat din circuitul electric) și un proton care intră și formează apă, care este singurul produs al reacției (sub formă de vapori și/sau lichid).

Unitățile cu electrozi cu membrană, care sunt elementul cheie generator al sistemului energetic, sunt fabricate din celule de combustibil cu hidrogen.

Mașina viitorului se comportă ca una adevărată

Echilibrul bateriei este de aproximativ trei ori mai mare, în ciuda pierderilor din cauza căldurii din șoferi. Din păcate, mașina-minune nu va ajunge pe drumurile noastre decât ca parte a demonstrațiilor publice. Brachmann, care ne amintește că liniștea naturală a unei mașini electrice sporește impresia de a trăi într-o lume zgomotoasă. În ciuda tuturor dificultăților, pedala de direcție și de frână oferă o consistență naturală.

Baterie miniaturală, dar performanță îmbunătățită

Gadgetul este vizibil, ecranul central difuzează imaginile camerei plasate în oglinda din dreapta imediat ce este activat semnalizatorul. Majoritatea clienților noștri americani nu mai solicită, iar acest lucru ne permite să menținem prețurile scăzute - justifică inginerul șef, care oferă un tarif mai mic decât. De fapt, merită să vorbim despre o stivă de celule de combustibil, deoarece există 358 care lucrează împreună. Rezervorul principal, cu o capacitate de 117 litri, este apăsat pe peretele din spate al băncii, împiedicând-o să fie pliat, iar al doilea - 24 litri, este ascuns sub scaun.

Avantajele pilelor de combustie cu hidrogen în comparație cu soluțiile tradiționale:

- intensitate energetică specifică crescută (500 ÷ 1000 Wh/kg),

- interval extins de temperatură de funcționare (-40 0 C / +40 0 C),

- absența punctului de căldură, zgomot și vibrații,

- fiabilitate la pornire la rece,

- perioadă de stocare a energiei practic nelimitată (fără autodescărcare),

Prima celulă de combustibil în doi timpi

În ciuda dimensiunilor sale compacte, această nouă pilă de combustibil transformă dihidrogenul în curent electric mai rapid și mai bine decât predecesorul său. Furnizează oxigen elementelor grămadă într-un ritm considerat anterior incompatibil cu durabilitatea acestora. Excesul de apă care limita anterior debitul este cel mai bine evacuat. Ca urmare, puterea per element crește la jumătate, iar eficiența ajunge la 60%.

Acest lucru se datorează prezenței unei baterii litiu-ion de 1,7 kWh - situată sub scaunele din față, care permite furnizarea de curent suplimentar în cazul accelerațiilor puternice. Ori autonomia prognozată este de 460 km, ideal în concordanță cu ceea ce susține producătorul.

- capacitatea de a modifica intensitatea energetică a sistemului prin schimbarea numărului de cartușe de combustibil, ceea ce oferă o autonomie aproape nelimitată,

Capacitatea de a furniza aproape orice intensitate rezonabilă de energie a sistemului prin modificarea capacității de stocare a hidrogenului,

- intensitate energetică mare,

- toleranta la impuritatile din hidrogen,

Dar o mie de piese facilitează fluxul de aer și optimizează răcirea. Chiar mai mult decât predecesorul său, această mașină electrică arată că pila de combustibil este în față și în centru. O mare provocare pentru industrie și pentru liderii noștri. Între timp, este foarte inteligent cine va ști ce celulă de combustibil sau baterie va prevala.

O pilă de combustibil este un dispozitiv de conversie a energiei electrochimice care poate produce electricitate sub formă de curent continuu prin combinarea unui combustibil și a unui oxidant într-o reacție chimică pentru a produce un produs rezidual, de obicei un oxid de combustibil.

- durata de viata lunga,

- prietenos cu mediul și funcționare silențioasă.

Sisteme de alimentare cu energie pe bază de celule de combustie cu hidrogen pentru UAV:

Instalarea pilelor de combustie pe vehicule fără pilot in loc de bateriile traditionale, inmulteste durata zborului, greutatea încărcătură utilă, vă permite să creșteți fiabilitatea aeronavei, să extindeți intervalul de temperatură de lansare și funcționare a UAV, reducând limita la -40 0C. În comparație cu motoarele cu ardere internă, sistemele pe bază de celule de combustie sunt silențioase, fără vibrații, funcționează la temperaturi scăzute, sunt greu de detectat în timpul zborului, nu produc emisii nocive și pot îndeplini eficient sarcini de la supraveghere video până la livrarea sarcinii utile.

Fiecare celulă de combustie are doi electrozi, unul pozitiv și altul negativ, iar reacția care produce electricitate are loc la electrozi în prezența unui electrolit, care transportă particule încărcate de la electrod la electrod, în timp ce electronii circulă în fire externe situate între electrozi. pentru a crea electricitate.

Pila de combustie poate genera electricitate în mod continuu atâta timp cât se menține debitul necesar de combustibil și oxidant. Unele celule de combustie produc doar câțiva wați, în timp ce altele pot produce câteva sute de kilowați, în timp ce bateriile mai mici se găsesc probabil în laptopuri și telefoane mobile, dar pilele de combustie sunt prea scumpe pentru a deveni mici generatoare folosite pentru a produce electricitate pentru case și afaceri.

Compoziția sistemului de alimentare cu energie electrică pentru UAV-uri:

Dimensiunile economice ale pilelor de combustibil

Utilizarea hidrogenului ca sursă de combustibil implică costuri semnificative. Din acest motiv, hidrogenul este acum o sursă neeconomică, în special pentru că pot fi utilizate alte surse mai puțin costisitoare. Costurile de producție a hidrogenului pot varia deoarece reflectă costul resurselor din care este extras.

Surse de combustibil ale bateriei

Pilele de combustie sunt, în general, clasificate în următoarele categorii: pile de combustie cu hidrogen, pile de combustibil organice, pile de combustibil metalice și baterii redox. Când hidrogenul este folosit ca sursă de combustibil, energia chimică este convertită în electricitate în timpul procesului de hidroliză inversă pentru a produce doar apă și căldură ca deșeuri. O pilă de combustibil cu hidrogen este foarte scăzută, dar poate fi mai mult sau mai puțin ridicată în producția de hidrogen, mai ales dacă este produsă din combustibili fosili.

• - baterie cu pile de combustibil,
• - baterie tampon Li-Po pentru a acoperi sarcinile de vârf pe termen scurt,
• - electronice sistem de control ,
• - sistem de combustibil format dintr-un cilindru cu hidrogen comprimat sau o sursă solidă de hidrogen.

Sistemul de combustibil folosește cilindri ușoare și reductoare de înaltă rezistență pentru a asigura furnizarea maximă de hidrogen comprimat la bord. Este permisă utilizarea diferitelor dimensiuni de butelii (de la 0,5 la 25 litri) cu reductoare care asigură consumul necesar de hidrogen.

Bateriile cu hidrogen sunt împărțite în două categorii: baterii cu temperatură joasă și baterii cu temperatură înaltă, unde bateriile cu temperatură înaltă pot folosi și combustibili fosili direct. Acestea din urmă constau din hidrocarburi precum petrolul sau benzina, alcoolul sau biomasa.

Alte surse de combustibil din baterii includ, dar nu se limitează la, alcooli, zinc, aluminiu, magneziu, soluții ionice și multe hidrocarburi. Alţi agenţi de oxidare includ, dar nu se limitează la, aer, clor şi dioxid de clor. În prezent, există mai multe tipuri de celule de combustie.

Caracteristicile sistemului de alimentare cu energie electrică pentru UAV-uri:

Încărcătoare portabile pe bază de celule de combustibil cu hidrogen:

Încărcătoarele portabile bazate pe celule de combustibil cu hidrogen sunt dispozitive compacte, comparabile ca greutate și dimensiuni cu încărcătoarele de baterii existente care sunt utilizate activ în lume.

Tehnologia portabilă omniprezentă în lumea modernă trebuie reîncărcată în mod regulat. Sistemele portabile tradiționale sunt practic inutile la temperaturi scăzute, iar după îndeplinirea funcției necesită și reîncărcare folosind (rețele electrice), ceea ce reduce și eficiența acestora și autonomia dispozitivului.

Fiecare moleculă de dihidrogen dobândește 2 electroni. Ionul H se deplasează de la anod la catod și provoacă un curent electric prin transferul unui electron. Cum ar putea arăta celulele de combustie pentru avioane? Astăzi, se efectuează teste pe aeronave pentru a încerca să le zboare folosind o baterie hibridă cu celule de combustibil litiu-ion. Adevăratul beneficiu al celulei de combustie constă în integritatea sa redusă: este mai ușoară, ceea ce ajută la reducerea greutății aeronavei și, prin urmare, a consumului de combustibil.

Dar, deocamdată, pilotarea unei aeronave cu celule de combustibil nu este posibilă, deoarece are încă multe dezavantaje. Imaginea unei celule de combustibil. Care sunt dezavantajele unei celule de combustibil? În primul rând, dacă hidrogenul ar fi obișnuit, utilizarea lui în cantități mari ar fi problematică. Într-adevăr, este disponibil nu numai pe Pământ. Se găsește în apa care conține oxigen și amoniac. Prin urmare, este necesar să electrolizați apa pentru a o obține, iar aceasta nu este încă o metodă răspândită.

Sistemele de celule de combustibil cu hidrogen necesită doar înlocuirea unui cartuş de combustibil compact, după care dispozitivul este imediat gata de utilizare.

Caracteristicile încărcătoarelor portabile:

Surse de alimentare neîntreruptibile bazate pe celule de combustibil cu hidrogen:

Sistemele de alimentare cu energie garantată pe bază de celule de combustibil cu hidrogen sunt concepute pentru a organiza alimentarea cu energie de rezervă și alimentarea temporară cu energie. Sistemele de alimentare cu energie garantată pe bază de celule de combustie cu hidrogen oferă avantaje semnificative față de soluțiile tradiționale de organizare a alimentării temporare și de rezervă, folosind baterii și generatoare diesel.

Hidrogenul este un gaz, ceea ce îl face dificil de reținut și transportat. Un alt risc asociat cu utilizarea hidrogenului este riscul de explozie, deoarece este un gaz inflamabil. ceea ce furnizează bateria pentru producția sa pe scară largă necesită o altă sursă de energie, fie că este petrol, gaz sau cărbune, sau energie nucleară, ceea ce face echilibrul său de mediu semnificativ mai rău decât kerosenul și face grămadă, platina, un metal care este și mai rar. și mai scump decât aurul.

Pila de combustibil furnizează energie prin oxidarea combustibilului la anod și reducerea oxidantului la catod. Descoperirea principiului celulei de combustie și primele implementări în laborator folosind acid sulfuric ca electrolit sunt creditate chimistului William Grove.

Caracteristicile sistemului de alimentare neîntreruptibilă:

Celule de combustibil este un dispozitiv electrochimic similar unei celule galvanice, dar diferă de acesta prin faptul că substanțele pentru reacția electrochimică îi sunt furnizate din exterior - spre deosebire de cantitatea limitată de energie stocată într-o celulă galvanică sau baterie.

Într-adevăr, celulele de combustie au câteva avantaje: cele care folosesc dihidrogen și dioxid emit doar vapori de apă: este deci o tehnologie curată. Există mai multe tipuri de celule de combustie, în funcție de natura electrolitului, natura combustibilului, oxidarea directă sau indirectă și temperatura de funcționare.

Următorul tabel rezumă principalele caracteristici ale acestor diferite dispozitive. Mai multe programe europene analizează alți polimeri, cum ar fi derivații de polibenzimidazol, care sunt mai stabili și mai ieftini. Compactitatea bateriei este, de asemenea, o provocare continuă cu membrane de ordinul a 15-50 microni, anozi de carbon poroși și plăci bipolare din oțel inoxidabil. Speranța de viață poate fi, de asemenea, îmbunătățită, deoarece, pe de o parte, urmele de monoxid de carbon de ordinul câtorva ppm în hidrogen sunt adevărate otrăvuri pentru catalizator, iar pe de altă parte, controlul apei din polimer este obligatoriu.

Orez. 1. Unele celule de combustibil

Pilele de combustie transformă energia chimică a combustibilului în electricitate, ocolind procesele de ardere ineficiente care au loc cu pierderi mari. Ele transformă hidrogenul și oxigenul în energie electrică printr-o reacție chimică. Ca rezultat al acestui proces, se formează apă și se eliberează o cantitate mare de căldură. O celulă de combustie este foarte asemănătoare cu o baterie care poate fi încărcată și apoi poate folosi energia electrică stocată. Inventatorul celulei de combustibil este considerat a fi William R. Grove, care a inventat-o ​​încă din 1839. Această pilă de combustibil a folosit o soluție de acid sulfuric ca electrolit și hidrogen ca combustibil, care a fost combinat cu oxigen într-un agent oxidant. Până de curând, pilele de combustibil erau folosite doar în laboratoare și pe nave spațiale.

Spre deosebire de alte generatoare de energie, cum ar fi motoarele cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, păcură etc., pilele de combustibil nu ard combustibil. Aceasta înseamnă că nu există rotoare zgomotoase de înaltă presiune, fără zgomot puternic de evacuare, fără vibrații. Pilele de combustie produc energie electrică 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 emisii de la celulele de combustie sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu se eliberează deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Pilele de combustie nu au părți mobile (cel puțin nu în interiorul celulei în sine) și, prin urmare, nu respectă legea lui Carnot. Adică vor avea o eficiență mai mare de 50% și sunt deosebit de eficiente la sarcini mici. Astfel, vehiculele cu celule de combustie pot deveni (și s-au dovedit deja a fi) mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât vehiculele convenționale în condiții de condus din lumea reală.

Pila de combustibil produce curent electric tensiune DC, care poate fi folosit pentru a conduce un motor electric, iluminat și alte sisteme electrice dintr-un vehicul.

Există mai multe tipuri de celule de combustibil, care diferă în procesele chimice utilizate. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de tipul de electrolit pe care îl folosesc.

Unele tipuri de celule de combustibil sunt promițătoare pentru propulsia centralelor electrice, în timp ce altele sunt promițătoare pentru dispozitive portabile sau pentru a conduce mașini.

1. Pile de combustibil alcaline (ALFC)

Pilă de combustibil alcalină- Acesta este unul dintre primele elemente dezvoltate. Pilele de combustibil alcaline (AFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii, utilizate încă de la mijlocul anilor 60 ai secolului XX de NASA în programele Apollo și Space Shuttle. La bordul acestor nave spațiale, celulele de combustibil produc energie electrică și apă potabilă.

Pilele de combustie alcaline sunt una dintre cele mai eficiente celule folosite pentru a genera energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

Pilele de combustibil alcaline folosesc un electrolit, 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 în SHTE este ionul hidroxil (OH-), care se deplasează de la catod la anod, unde reacţionează cu hidrogenul, producând apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxil acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce electricitate și, ca produs secundar, căldură:

Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e

Reacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH

Reacția generală a sistemului: 2H2 + O2 => 2H2O

Avantajul SHTE este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de produs, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. În plus, SHTE-urile funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente.

Una dintre trăsăturile caracteristice ale SHTE 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 SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice; acestea funcționează cu hidrogen și oxigen pur.

2. Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pile de combustie cu electrolit de carbonat topit sunt celule de combustie la temperaturi ridicate. Temperatura ridicată de funcționare permite utilizarea directă a gazului natural fără procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din procese industriale și din alte surse. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX. De atunci, tehnologia de producție, performanța și fiabilitatea au fost îmbunătățite.

Funcționarea RCFC diferă de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit format dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. In prezent se folosesc doua tipuri de amestecuri: carbonat de litiu si carbonat de potasiu sau carbonat de litiu si carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile carbonatice și pentru a obține un grad ridicat de mobilitate ionică 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 la anod: 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)

Temperaturile ridicate de funcționare ale celulelor de combustie cu electroliți cu carbonat topit au anumite avantaje. Avantajul este capacitatea de a utiliza materiale standard (foi de oțel inoxidabil și catalizator de nichel pe electrozi). Căldura reziduală poate fi folosită pentru a produce abur de înaltă presiune. Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au, de asemenea, avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate necesită un timp îndelungat pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea celulei de combustie prin monoxid de carbon, „otrăvire” etc.

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

3. Pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic). au devenit primele celule de combustie pentru uz comercial. Acest proces a fost dezvoltat la mijlocul anilor 60 ai secolului XX, testele au fost efectuate încă din anii 70 ai secolului XX. Rezultatul a fost stabilitate și performanță crescute și costuri reduse.

Pilele de combustibil cu acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) la concentrații de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, astfel încât aceste celule 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 (PEMFC), în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează curent electric și căldură.

Reacția la anod: 2H2 => 4H+ + 4e

Reacția la catod: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O

Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Eficiența pilelor de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) este de peste 40% atunci când se generează energie electrică. Cu 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 care utilizează pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de energie termică și electrică este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Unitățile folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. Designul simplu, gradul scăzut de volatilitate a electrolitului și stabilitatea crescută sunt, de asemenea, avantaje ale unor astfel de celule de combustibil.

Centralele termice cu putere electrică de ieșire de până la 400 kW sunt produse comercial. Instalațiile cu o capacitate de 11 MW au trecut testele corespunzătoare. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.

4. Pile de combustibil cu membrană cu schimb de protoni (PEMFC)

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni sunt considerate cel mai bun tip de celule de combustie pentru generarea de energie pentru vehicule, 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. Au fost dezvoltate și demonstrate instalații bazate pe MOPFC cu putere de la 1 W la 2 kW.

Electrolitul din aceste celule de combustibil este o membrană polimerică solidă (o peliculă subțire de plastic). Când este saturat cu apă, acest polimer permite trecerea protonilor, dar nu conduce electronii.

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, molecula de hidrogen este împărțită într-un ion de hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, iar electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este furnizat catodului și se combină cu electroni și ioni de hidrogen pentru a forma apă. La electrozi au loc următoarele reacții: Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reacția globală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de celulele de combustie, celulele de combustibil cu o membrană de schimb de protoni produc mai multă energie 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 care fac din aceste celule de combustibil un candidat principal pentru utilizare în vehicule.

Un alt avantaj este că electrolitul este mai degrabă solid decât lichid. Este mai ușor să reținem gazele la catod și anod folosind un electrolit solid, astfel încât astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de produs. Cu un electrolit solid, nu există probleme de orientare și mai puține probleme de coroziune, crescând longevitatea celulei și a componentelor sale.

5. Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pile de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustie cu cea mai mare temperatură de funcționare. Temperatura de funcționare poate varia de la 600°C la 1000°C, permițând utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără un pretratare special. Pentru a face față unor astfel de temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe o bază ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-). Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxid solid s-a dezvoltat de la sfârșitul anilor 50 ai secolului XX și are două configurații: plană și tubulară.

Electrolitul solid asigură o tranziție etanșă a gazului 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 (O2-). La catod, moleculele de oxigen din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul, creând patru electroni liberi. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

Reacția la anod: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e

Reacția la catod: O2 + 4e- => 2O2-

Reacția generală a elementului: 2H2 + O2 => 2H2O

Eficiența producției de energie electrică este cea mai mare dintre toate pilele de combustibil - aproximativ 60%. În plus, temperaturile ridicate de funcționare permit producția combinată de energie termică și electrică pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustibil de înaltă temperatură cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibride pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 70%.

Pilele de combustibil cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600°C-1000°C), rezultând un timp semnificativ necesar pentru atingerea condițiilor optime de funcționare și un răspuns mai lent al sistemului la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri rezultati din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale etc. Celula de combustie este, de asemenea, excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

6. Pile de combustibil cu oxidare directă a metanolului (DOMFC)

Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului Ele sunt folosite cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptop-urilor, precum și pentru a crea surse de alimentare portabile, ceea ce vizează utilizarea viitoare a unor astfel de elemente.

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MEPFC), adică Un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Dar metanolul lichid (CH3OH) se oxidează în prezența apei la anod, eliberând CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel 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: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReacția la catod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reacția generală a elementului: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Dezvoltarea unui astfel de celulele de combustie au fost realizate de la începutul anilor 90 ai secolului XX și puterea și eficiența lor specifică au fost crescute la 40%.

Aceste elemente au fost testate în intervalul de temperatură de 50-120°C. Din cauza temperaturilor scăzute de funcționare și a absenței necesității unui convertor, astfel de celule de combustibil sunt un candidat principal pentru utilizarea în telefoanele mobile și alte produse de larg consum, precum și în motoarele auto. Avantajul lor este și dimensiunea lor mică.

7. Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC)

În cazul pilelor de combustie cu electroliți polimeri, membrana polimerică constă din fibre polimerice cu regiuni de apă în care ionii de apă de conducție H2O+ (proton, roșu) se atașează la o moleculă de apă. Moleculele de apă reprezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și la electrozii de ieșire, ceea ce limitează temperatura de funcționare la 100°C.

8. Pile de combustibil acid solid (SFC)

În pilele cu combustibil acid solid, electrolitul (CsHSO4) nu conține apă. Temperatura de lucru este deci 100-300°C. Rotația oxianionilor SO42 permite protonilor (roșu) să se miște așa cum se arată în figură. De obicei, o pilă de combustie acidă solidă este un sandwich în care un strat foarte subțire de compus acid solid este intercalat între doi electrozi care sunt strâns presați împreună pentru a asigura un contact bun. Când este încălzită, componenta organică se evaporă, ieșind prin porii din electrozi, menținând capacitatea de contacte multiple între combustibil (sau oxigen la celălalt capăt al elementului), electrolit și electrozi.

9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustie

Caracteristicile pilelor de combustie

Tipul de pile de combustibil	Temperatura de Operare	Eficienta generarii de energie	Tipul combustibilului	Scopul aplicatiei
				Instalatii medii si mari
			Hidrogen pur	instalatii
			Hidrogen pur	Instalații mici
			Majoritatea combustibililor cu hidrocarburi	Instalatii mici, medii si mari
				Portabil instalatii
			Hidrogen pur	Spaţiu cercetat
			Hidrogen pur	Instalații mici

10. Utilizarea pilelor de combustie în mașini

Ecologia cunoașterii. Știință și tehnologie: electronicele mobile se îmbunătățesc în fiecare an, devenind mai răspândite și mai accesibile: PDA-uri, laptop-uri, dispozitive mobile și digitale, rame foto etc. Toate sunt completate tot timpul

Celulă de combustibil DIY acasă

Electronica mobilă se îmbunătățește în fiecare an, devenind mai răspândită și accesibilă: PDA-uri, laptop-uri, dispozitive mobile și digitale, rame foto etc. Toate acestea sunt actualizate constant cu funcții noi, monitoare mai mari, comunicații wireless, procesoare mai puternice, în timp ce scad în dimensiune . Tehnologiile de putere, spre deosebire de tehnologia semiconductoarelor, nu avansează cu salturi și limite.

Bateriile și acumulatorii existenți pentru a alimenta realizările industriei devin insuficiente, așa că problema surselor alternative este foarte acută. Pilele de combustibil sunt de departe cel mai promițător domeniu. Principiul funcționării lor a fost descoperit în 1839 de William Grove, care a generat electricitate prin schimbarea electroliza apei.

Ce sunt pilele de combustibil?

Video: Documentar, pile de combustie pentru transport: trecut, prezent, viitor

Pilele de combustie sunt de interes pentru producătorii de mașini, iar designerii de nave spațiale sunt, de asemenea, interesați de ele. În 1965, au fost chiar testați de America pe nava spațială Gemini 5 lansată în spațiu, iar mai târziu pe Apollo. Milioane de dolari sunt turnați astăzi în cercetarea celulelor de combustibil, deoarece problemele de poluare persistă. mediu inconjurator, crescând emisiile de gaze cu efect de seră generate în timpul arderii combustibilului organic, ale căror rezerve nu sunt nici ele infinite.

O celulă de combustibil, numită adesea generator electrochimic, funcționează în modul descris mai jos.

Fiind, ca și acumulatorii și bateriile, un element galvanic, dar cu diferența că substanțele active sunt depozitate în el separat. Ele sunt furnizate electrozilor pe măsură ce sunt utilizați. Combustibilul natural sau orice substanță obținută din acesta arde pe electrodul negativ, care poate fi gazos (hidrogen, de exemplu, și monoxid de carbon) sau lichid, precum alcoolii. Oxigenul reacționează de obicei la electrodul pozitiv.

Dar principiul aparent simplu de funcționare nu este ușor de transpus în realitate.

Celulă de combustibil DIY

Din păcate, nu avem fotografii cu cum ar trebui să arate acest element de combustibil, ne bazăm pe imaginația ta.

Puteți face o celulă de combustibil de putere redusă cu propriile mâini chiar și într-un laborator școlar. Trebuie să vă aprovizionați cu o mască de gaz veche, mai multe bucăți de plexiglas, alcali și o soluție apoasă de alcool etilic (mai simplu, vodcă), care va servi drept „combustibil” pentru celula de combustibil.

În primul rând, aveți nevoie de o carcasă pentru celula de combustie, care este cel mai bine realizată din plexiglas, cu o grosime de cel puțin cinci milimetri. Pereții despărțitori interioare (în interior sunt cinci compartimente) pot fi făcute puțin mai subțiri - 3 cm.Pentru lipirea plexiglasului, folosiți adeziv din următoarea compoziție: șase grame de așchii de plexiglas se dizolvă în o sută de grame de cloroform sau dicloroetan (se lucrează). sub glugă).

Acum trebuie să forați o gaură în peretele exterior, în care trebuie să introduceți un tub de scurgere de sticlă cu un diametru de 5-6 centimetri printr-un dop de cauciuc.

Toată lumea știe că în tabelul periodic cele mai active metale sunt în colțul din stânga jos, iar metaloizii foarte activi sunt în colțul din dreapta sus al tabelului, adică. capacitatea de a dona electroni crește de sus în jos și de la dreapta la stânga. Elementele care, în anumite condiții, se pot manifesta sub formă de metale sau metaloizi se află în centrul mesei.

Acum turnăm masca de gaz în al doilea și al patrulea compartiment Cărbune activ(între prima partiție și a doua, precum și a treia și a patra), care vor acționa ca electrozi. Pentru a preveni scurgerea cărbunelui prin găuri, îl puteți așeza într-o țesătură de nailon (sunt potriviti ciorapii de nailon pentru femei).

Combustibilul va circula în prima cameră, iar în a cincea ar trebui să existe un furnizor de oxigen - aer. Între electrozi va exista un electrolit și, pentru a preveni scurgerea acestuia în camera de aer, trebuie să-l înmuiați cu o soluție de parafină în benzină (raport de 2 grame de parafină la jumătate de pahar de benzină) înainte de a umple. a patra cameră cu carbon pentru electrolitul de aer. Pe stratul de cărbune trebuie să plasați (prin apăsare ușor) plăci de cupru la care sunt lipite firele. Prin intermediul acestora, curentul va fi deviat de la electrozi.

Tot ce rămâne este să încărcați elementul. Pentru aceasta aveți nevoie de vodcă, care trebuie diluată cu apă 1:1. Apoi adăugați cu grijă trei sute până la trei sute cincizeci de grame de potasiu caustic. Pentru electrolit, 70 de grame de hidroxid de potasiu se dizolvă în 200 de grame de apă.

Celula de combustie este gata pentru testare. Acum trebuie să turnați simultan combustibil în prima cameră și electroliți în a treia. Un voltmetru conectat la electrozi ar trebui să arate de la 07 la 0,9 volți. Pentru a asigura funcționarea continuă a elementului, este necesar să îndepărtați combustibilul uzat (scurgeți într-un pahar) și adăugați combustibil nou (printr-un tub de cauciuc). Viteza de avans este reglată prin strângerea tubului. Așa arată funcționarea unei celule de combustibil în condiții de laborator, a cărei putere este de înțeles scăzută.

Pentru a asigura o putere mai mare, oamenii de știință lucrează de mult timp la această problemă. Oțelul activ în dezvoltare găzduiește pile de combustibil cu metanol și etanol. Dar, din păcate, acestea nu au fost încă puse în practică.

De ce este aleasă pila de combustibil ca sursă alternativă de energie

O celulă de combustie a fost aleasă ca sursă alternativă de energie, deoarece produsul final al arderii hidrogenului în ea este apa. Singura problemă este găsirea unei modalități ieftine și eficiente de a produce hidrogen. Fondurile enorme investite în dezvoltarea generatoarelor de hidrogen și a pilelor de combustie nu pot decât să dea roade, așa că o descoperire tehnologică și utilizarea lor reală în viața de zi cu zi este doar o chestiune de timp.

Deja astăzi, monștrii industriei auto: General Motors, Honda, Draimler Coyler, Ballard, prezintă autobuze și mașini care funcționează cu celule de combustie, a căror putere ajunge la 50 kW. Dar problemele asociate cu siguranța, fiabilitatea și costul lor nu au fost încă rezolvate. După cum sa menționat deja, spre deosebire de sursele tradiționale de energie - baterii și acumulatori, în acest caz, oxidantul și combustibilul sunt furnizate din exterior, iar pila de combustibil este doar un intermediar în reacția continuă de ardere a combustibilului și de transformare a energiei eliberate în energie electrică. „Arderea” are loc numai dacă elementul furnizează curent sarcinii, ca un generator electric diesel, dar fără generator și motor diesel și, de asemenea, fără zgomot, fum și supraîncălzire. În același timp, eficiența este mult mai mare, deoarece nu există mecanisme intermediare.

Se pun mari speranțe în utilizarea nanotehnologiei și a nanomaterialelor, care vor ajuta la miniaturizarea celulelor de combustie, sporind în același timp puterea acestora. Au existat rapoarte că au fost creați catalizatori ultra-eficienți, precum și modele pentru celulele de combustie care nu au membrane. În ele, combustibilul (metan, de exemplu) este furnizat elementului împreună cu oxidant. Soluțiile interesante folosesc oxigenul dizolvat în aer ca oxidant, iar impuritățile organice care se acumulează în apele poluate sunt folosite drept combustibil. Acestea sunt așa-numitele elemente de biocombustibil.

Pilele de combustibil, potrivit experților, ar putea intra pe piața de masă în următorii ani. publicat

Alatura-te noua

Aș dori să vă avertizez imediat că acest subiect nu este în întregime pe subiectul Habr, dar în comentariile postării despre elementul dezvoltat la MIT, ideea părea susținută, așa că mai jos voi descrie câteva gânduri despre biocombustibil elemente.
Lucrarea pe care este scrisă această temă a fost făcută de mine în clasa a XI-a și a ocupat locul doi la conferința internațională INTEL ISEF.

O pilă de combustie este o sursă de curent chimic în care energia chimică a unui agent reducător (combustibil) și a unui agent oxidant, furnizate în mod continuu și separat electrozilor, este direct transformată în energie electrică.
energie. Diagrama schematică a unei celule de combustibil (FC) este prezentată mai jos:

Pila de combustibil este formată dintr-un anod, catod, conductor ionic, anod și camere catodice. În prezent, puterea celulelor de biocombustibil nu este suficientă pentru utilizare la scară industrială, dar BFC-urile de putere redusă pot fi utilizate în scopuri medicale ca senzori sensibili, deoarece puterea curentă a acestora este proporțională cu cantitatea de combustibil procesată.
Până în prezent, au fost propuse un număr mare de soiuri de design de celule de combustie. În fiecare caz specific, proiectarea celulei de combustie depinde de scopul celulei de combustie, de tipul de reactiv și de conductorul ionic. Un grup special include celulele de biocombustibil care folosesc catalizatori biologici. O caracteristică distinctivă importantă a sistemelor biologice este capacitatea lor de a oxida selectiv diferiți combustibili la temperaturi scăzute.
În cele mai multe cazuri, enzimele imobilizate sunt utilizate în bioelectrocataliză, adică. enzime izolate din organismele vii și fixate pe un purtător, dar păstrând activitatea catalitică (parțial sau complet), ceea ce le permite reutilizarea. Să luăm în considerare exemplul unei celule de biocombustibil în care o reacție enzimatică este cuplată cu o reacție cu electrod folosind un mediator. Schema unei celule de biocombustibil bazată pe glucozooxidază:

O celulă de biocombustibil constă din doi electrozi inerți din aur, platină sau carbon, cufundați într-o soluție tampon. Electrozii sunt separați printr-o membrană schimbătoare de ioni: compartimentul anodului este purjat cu aer, compartimentul catodic cu azot. Membrana permite separarea spatiala a reactiilor care au loc in compartimentele electrozilor celulei, si in acelasi timp asigura schimbul de protoni intre ele. Membrane potrivite pentru biosenzori tipuri diferite sunt produse în Marea Britanie de multe companii (VDN, VIROKT).
Introducerea glucozei într-o celulă de biocombustibil care conține glucoză oxidază și un mediator solubil la 20 °C are ca rezultat un flux de electroni de la enzimă la anod prin mediator. Electronii călătoresc prin circuitul extern până la catod, unde, în condiții ideale, se formează apa în prezența protonilor și a oxigenului. Curentul rezultat (în absența saturației) este proporțional cu adăugarea componentei care determină viteza (glucoza). Măsurând curenții staționari, puteți determina rapid (5 s) chiar și concentrații scăzute de glucoză - până la 0,1 mM. Ca senzor, celula de biocombustibil descrisă are anumite limitări asociate cu prezența unui mediator și anumite cerințe pentru catodul de oxigen și membrana. Acesta din urmă trebuie să rețină enzima și în același timp să permită trecerea componentelor cu greutate moleculară mică prin: gaz, mediator, substrat. Membranele schimbătoare de ioni satisfac în general aceste cerințe, deși proprietățile lor de difuzie depind de pH-ul soluției tampon. Difuzia componentelor prin membrană duce la o scădere a eficienței transferului de electroni din cauza reacțiilor secundare.
Astăzi, există modele de laborator de celule de combustie cu catalizatori enzimatici, ale căror caracteristici nu îndeplinesc cerințele aplicării lor practice. Principalele eforturi din următorii câțiva ani vor fi îndreptate spre rafinarea celulelor de biocombustibil, iar aplicațiile ulterioare ale celulei de biocombustibil vor fi legate mai mult de medicină, de exemplu: o celulă de biocombustibil implantabilă care utilizează oxigen și glucoză.
Atunci când se utilizează enzime în electrocataliză, principala problemă care trebuie rezolvată este problema cuplării reacției enzimatice cu cea electrochimică, adică asigurarea unui transport eficient de electroni de la centrul activ al enzimei la electrod, care poate fi realizat în următoarele moduri:
1. Transferul electronilor de la centrul activ al enzimei la electrod folosind un purtător cu un nivel molecular scăzut - mediator (mediator bioelectrocataliza).
2. Oxidarea și reducerea directă, directă a situsurilor active ale enzimei de pe electrod (bioelectrocataliza directă).
În acest caz, cuplarea mediatoare a reacțiilor enzimatice și electrochimice, la rândul său, poate fi efectuată în patru moduri:
1) enzima și mediatorul se află în cea mai mare parte a soluției, iar mediatorul difuzează la suprafața electrodului;
2) enzima se află pe suprafața electrodului, iar mediatorul se află în volumul soluției;
3) enzima și mediatorul sunt imobilizate pe suprafața electrodului;
4) mediatorul este cusut la suprafața electrodului, iar enzima este în soluție.

În această lucrare, lacaza a servit ca catalizator pentru reacția catodică de reducere a oxigenului, iar glucozooxidaza (GOD) a servit ca catalizator pentru reacția anodică de oxidare a glucozei. Enzimele au fost utilizate ca parte a materialelor compozite, a căror creare este una dintre cele mai importante etape în crearea celulelor de biocombustibil care servesc simultan ca senzor analitic. In acest caz, materialele biocompozite trebuie sa ofere selectivitate si sensibilitate pentru determinarea substratului si in acelasi timp sa aiba activitate bioelectrocatalitica mare, apropiindu-se de activitatea enzimatica.
Laccaza este o oxidoreductază care conține Cu, a cărei funcție principală în condiții native este oxidarea substraturilor organice (fenoli și derivații acestora) cu oxigen, care este redus în apă. Greutatea moleculară a enzimei este de 40.000 g/mol.

Până în prezent, s-a demonstrat că lacaza este cel mai activ electrocatalizator pentru reducerea oxigenului. În prezența acestuia pe electrod într-o atmosferă de oxigen, se stabilește un potențial apropiat de potențialul de oxigen de echilibru, iar reducerea oxigenului are loc direct la apă.
Un material compozit pe bază de lacază, negru de acetilenă AD-100 și Nafion a fost utilizat ca catalizator pentru reacția catodică (reducerea oxigenului). O caracteristică specială a compozitului este structura sa, care asigură orientarea moleculei de enzimă în raport cu matricea conducătoare de electroni, necesară transferului direct de electroni. Activitatea bioelectrocatalitică specifică a lacazei în abordările compozite care s-au observat în cataliză enzimatică. Metoda de cuplare a reacțiilor enzimatice și electrochimice în cazul lacazei, i.e. o metodă de transfer a unui electron de la un substrat prin centrul activ al enzimei lacaze la un electrod - bielectrocataliza directă.

Glucozooxidaza (GOD) este o enzimă din clasa oxidoreductazei, are două subunități, fiecare având propriul său centru activ - (flavin adenin dinucleotide) FAD. GOD este o enzimă selectivă pentru donorul de electroni, glucoza, și poate folosi multe substraturi ca acceptori de electroni. Greutatea moleculară a enzimei este de 180.000 g/mol.

În această lucrare, am folosit un material compozit bazat pe GOD și ferocen (FC) pentru oxidarea anodică a glucozei printr-un mecanism mediator. Materialul compozit include GOD, grafit coloidal foarte dispersat (HCG), Fc și Nafion, ceea ce a făcut posibilă obținerea unei matrice conducătoare de electroni cu o suprafață foarte dezvoltată, asigurarea transportului eficient al reactivilor în zona de reacție și a caracteristicilor stabile ale compozitului. material. O metodă de cuplare a reacțiilor enzimatice și electrochimice, de ex. asigurând transportul eficient al electronilor de la centrul activ al lui Dumnezeu la electrodul mediator, în timp ce enzima și mediatorul au fost imobilizate pe suprafața electrodului. Ferocenul a fost folosit ca mediator - acceptor de electroni. Când un substrat organic, glucoza, este oxidat, ferocenul este redus și apoi oxidat la electrod.

Dacă cineva este interesat, pot descrie în detaliu procesul de obținere a acoperirii electrodului, dar pentru aceasta este mai bine să scrieți într-un mesaj personal. Și în subiect voi descrie pur și simplu structura rezultată.

1. AD-100.
2. lacază.
3. substrat poros hidrofob.
4. Nafion.

După primirea alegătorilor, am trecut direct la partea experimentală. Iată cum arăta celula noastră de lucru:

1. Electrod de referință Ag/AgCl;
2. electrod de lucru;
3. electrod auxiliar - Рt.
În experimentul cu glucozooxidază - purjare cu argon, cu lacază - cu oxigen.

Reducerea oxigenului pe funingine în absența lacazei are loc la potențiale sub zero și are loc în două etape: prin formarea intermediară a peroxidului de hidrogen. În figura este prezentată curba de polarizare a electroreducerii oxigenului prin lacază imobilizată pe AD-100, obținută în atmosferă de oxigen într-o soluție cu pH 4,5. În aceste condiții, se stabilește un potențial staționar aproape de potențialul de oxigen de echilibru (0,76 V). La potențiale catodice de 0,76 V, se observă reducerea catalitică a oxigenului la electrodul enzimei, care se desfășoară prin mecanismul bioelectrocatalizei directe direct în apă. În regiunea potențială sub catodul de 0,55 V, pe curbă se observă un platou, care corespunde curentului cinetic limitator al reducerii oxigenului. Valoarea limită a curentului a fost de aproximativ 630 μA/cm2.

Comportamentul electrochimic al materialului compozit bazat pe GOD Nafion, ferocen și VKG a fost studiat prin voltametrie ciclică (CV). Starea materialului compozit în absența glucozei într-o soluție tampon fosfat a fost monitorizată folosind curbele de încărcare. Pe curba de încărcare la un potențial de (–0,40) V se observă maxime legate de transformările redox ale centrului activ al lui DUMNEZEU - (FAD), iar la 0,20-0,25 V sunt maxime de oxidare și reducere a ferocenului.

Din rezultatele obtinute rezulta ca pe baza unui catod cu lacaza ca catalizator pentru reactia oxigenului, si a unui anod pe baza de glucozooxidaza pentru oxidarea glucozei, exista o posibilitate fundamentala de creare a unei celule de biocombustibil. Adevărat, există multe obstacole pe această cale, de exemplu, vârfurile activității enzimatice sunt observate la diferite niveluri de pH. Acest lucru a condus la necesitatea de a adăuga o membrană schimbătoare de ioni la BFC.Membrana permite separarea spațială a reacțiilor care apar în compartimentele electrozilor celulei și, în același timp, asigură schimbul de protoni între ele. Aerul intră în compartimentul anodului.
Introducerea glucozei într-o celulă de biocombustibil care conține glucozooxidază și un mediator are ca rezultat un flux de electroni de la enzimă la anod prin mediator. Electronii călătoresc prin circuitul extern până la catod, unde, în condiții ideale, se formează apa în prezența protonilor și a oxigenului. Curentul rezultat (în absența saturației) este proporțional cu adăugarea componentei care determină viteza, glucoza. Măsurând curenții staționari, puteți determina rapid (5 s) chiar și concentrații scăzute de glucoză - până la 0,1 mM.

Din păcate, nu am reușit să aduc ideea acestui BFC la implementare practică, deoarece Imediat după clasa a XI-a, am plecat să studiez pentru a deveni programator, ceea ce fac și astăzi cu sârguință. Mulțumesc tuturor celor care l-au finalizat.

Nu vei mai surprinde pe nimeni nici cu panourile solare, nici cu turbinele eoliene, care generează electricitate în toate regiunile lumii. Dar ieșirea de la aceste dispozitive nu este constantă și este necesară instalarea unor surse de alimentare de rezervă sau conectarea la rețea pentru a obține energie electrică în perioada în care sursele regenerabile de energie nu generează energie electrică. Cu toate acestea, există fabrici dezvoltate în secolul al XIX-lea care folosesc combustibili „alternativi” pentru a genera electricitate, adică nu ard gaze sau produse petroliere. Astfel de instalații sunt pile de combustie.

ISTORIA CREAȚIEI

Pilele de combustibil (FC) sau pilele de combustibil au fost descoperite în 1838-1839 de William Grove (Grove, Grove), când studia electroliza apei.

Ajutor: Electroliza apei este procesul de descompunere a apei sub influența curentului electric în molecule de hidrogen și oxigen

După ce a deconectat bateria de la celula electrolitică, a fost surprins să constate că electrozii au început să absoarbă gazul eliberat și să genereze curent. Descoperirea procesului de ardere electrochimică „la rece” a hidrogenului a fost un eveniment semnificativ în industria energetică. Mai târziu a creat bateria Grove. Acest dispozitiv avea un electrod de platină scufundat în acid azotic și un electrod de zinc în sulfat de zinc. A generat un curent de 12 amperi și o tensiune de 8 volți. Grow însuși numit acest design "bateria uda". Apoi a creat o baterie folosind doi electrozi de platină. Un capăt al fiecărui electrod era în acid sulfuric, iar celelalte capete au fost sigilate în recipiente cu hidrogen și oxigen. Între electrozi era un curent stabil, iar cantitatea de apă din interiorul recipientelor a crescut. Grow a reușit să descompună și să îmbunătățească apa din acest dispozitiv.

„Creșterea bateriei”

(sursa: Societatea Regală a Muzeului Național de Istorie Naturală)

Termenul „pilă de combustie” (în engleză „pilă de combustie”) a apărut abia în 1889 de către L. Mond și
C. Langer, care a încercat să creeze un dispozitiv pentru generarea de energie electrică din aer și gaz de cărbune.

CUM FUNCTIONEAZA?

O celulă de combustie este un dispozitiv relativ simplu. Are doi electrozi: anod (electrod negativ) și catod (electrod pozitiv). La electrozi are loc o reacție chimică. Pentru a o accelera, suprafața electrozilor este acoperită cu un catalizator. FC-urile sunt echipate cu încă un element - membrana. Conversia energiei chimice a combustibilului direct în electricitate are loc datorită lucrului membranei. Separă cele două camere ale elementului în care sunt furnizate combustibil și oxidant. Membrana permite doar protonilor, care sunt produși ca urmare a divizării combustibilului, să treacă dintr-o cameră în alta la un electrod acoperit cu un catalizator (electronii călătoresc apoi printr-un circuit extern). În a doua cameră, protonii se combină cu electronii (și atomii de oxigen) pentru a forma apă.

Principiul de funcționare al unei celule de combustibil cu hidrogen

La nivel chimic, procesul de transformare a energiei combustibilului în energie electrică este similar cu procesul de ardere convențional (oxidare).

În timpul arderii normale în oxigen, are loc oxidarea combustibilului organic, iar energia chimică a combustibilului este transformată în energie termică. Să vedem ce se întâmplă în timpul oxidării hidrogenului cu oxigen într-un mediu electrolitic și în prezența electrozilor.

Prin furnizarea de hidrogen unui electrod situat într-un mediu alcalin, are loc o reacție chimică:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

După cum puteți vedea, obținem electroni care, trecând prin circuitul extern, ajung la electrodul opus, către care curge oxigenul și unde are loc reacția:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Se poate observa că reacția rezultată 2H 2 + O 2 → H 2 O este aceeași ca în timpul arderii normale, dar Pila de combustie produce curent electric și puțină căldură.

TIPURI DE PILE DE COMBUSTIBIL

Se obișnuiește să se clasifice celulele de combustie în funcție de tipul de electrolit utilizat pentru reacție:

Rețineți că celulele de combustie pot utiliza, de asemenea, cărbune, monoxid de carbon, alcooli, hidrazină și alte substanțe organice ca combustibil și aer, peroxid de hidrogen, clor, brom, acid azotic etc. ca agenți oxidanți.

EFICIENȚA CELULEI DE COMBUSTIBIL

O caracteristică a celulelor de combustibil este nicio limitare strictă a eficienței, precum motoarele termice.

Ajutor: EficiențăCiclul Carnot este cea mai mare eficiență posibilă dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime.

Prin urmare, eficiența celulelor de combustie în teorie poate fi mai mare de 100%. Mulți au zâmbit și s-au gândit: „Mașina cu mișcare perpetuă a fost inventată”. Nu, aici ar trebui să ne întoarcem la cursul de chimie de la școală. Pila de combustibil se bazează pe conversia energiei chimice în energie electrică. Aici se întâmplă minunile. Anumite reacții chimice pe măsură ce apar pot absorbi căldura din mediu.

Ajutor: Reacțiile endoterme sunt reacții chimice însoțite de absorbția căldurii. Pentru reacțiile endoterme, modificările entalpiei și ale energiei interne au valori pozitive (Δ H >0, Δ U >0), astfel produșii de reacție conțin mai multă energie decât componentele inițiale.

Un exemplu de astfel de reacție este oxidarea hidrogenului, care este utilizat în majoritatea pilelor de combustie. Prin urmare, teoretic, eficiența poate fi mai mare de 100%. Dar astăzi, celulele de combustibil se încălzesc în timpul funcționării și nu pot absorbi căldura din mediu.

Ajutor: Această limitare este impusă de a doua lege a termodinamicii. Procesul de transfer de căldură de la un corp „rece” la unul „fierbinte” nu este posibil.

În plus, există pierderi asociate proceselor de neechilibru. Cum ar fi: pierderi ohmice datorate conductivității specifice a electrolitului și electrozilor, polarizarea de activare și concentrare, pierderi de difuzie. Ca rezultat, o parte din energia generată în celulele de combustie este transformată în căldură. Prin urmare, celulele de combustie nu sunt mașini cu mișcare perpetuă și eficiența lor este mai mică de 100%. Dar eficiența lor este mai mare decât cea a altor mașini. Astăzi Eficiența celulei de combustibil ajunge la 80%.

Referinţă:În anii patruzeci, inginerul englez T. Bacon a proiectat și construit o baterie de celule de combustie cu o putere totală de 6 kW și o eficiență de 80%, funcționând cu hidrogen pur și oxigen, dar raportul putere-greutate al bateriei. s-a dovedit a fi prea mic - astfel de elemente erau nepotrivite pentru utilizare practică și prea scumpe (sursa: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEME LA CILE DE COMBUSTIBIL

Aproape toate pilele de combustibil folosesc hidrogen ca combustibil, așa că apare întrebarea logică: „De unde îl pot obține?”

Se pare că o pilă de combustie a fost descoperită în urma electrolizei, deci este posibil să se folosească hidrogenul eliberat în urma electrolizei. Dar să ne uităm la acest proces mai detaliat.

Conform legii lui Faraday: cantitatea de substanță care se oxidează la anod sau se reduce la catod este proporțională cu cantitatea de electricitate care trece prin electrolit. Aceasta înseamnă că, pentru a obține mai mult hidrogen, trebuie să cheltuiți mai multă energie electrică. Metodele existente de electroliză a apei funcționează cu o eficiență mai mică de unu. Apoi folosim hidrogenul rezultat în celulele de combustie, unde eficiența este, de asemenea, mai mică decât unitatea. Prin urmare, vom cheltui mai multă energie decât putem produce.

Desigur, puteți folosi hidrogenul produs din gaze naturale. Această metodă de producere a hidrogenului rămâne cea mai ieftină și populară. În prezent, aproximativ 50% din hidrogenul produs la nivel mondial provine din gaze naturale. Dar există o problemă cu stocarea și transportul hidrogenului. Hidrogenul are o densitate scăzută ( un litru de hidrogen cântărește 0,0846 g), deci pentru a-l transporta la distante lungi trebuie comprimat. Și acestea sunt costuri suplimentare de energie și bani. De asemenea, nu uitați de siguranță.

Cu toate acestea, există și o soluție aici - combustibilul cu hidrocarburi lichide poate fi folosit ca sursă de hidrogen. De exemplu, alcoolul etilic sau metilic. Adevărat, acest lucru necesită un dispozitiv suplimentar special - un convertor de combustibil, când temperatura ridicata(pentru metanol, aceasta va fi undeva în jur de 240°C) transformând alcoolii într-un amestec de H2 și CO2 gazos. Dar în acest caz, este deja mai dificil să te gândești la portabilitate - astfel de dispozitive sunt bune de folosit ca generatoare staționare sau auto, dar pentru echipamente mobile compacte ai nevoie de ceva mai puțin voluminos.

Catalizator

Pentru a îmbunătăți reacția în celula de combustibil, suprafața anodului este de obicei tratată cu un catalizator. Până de curând, platina era folosită ca catalizator. Prin urmare, costul celulei de combustie era mare. În al doilea rând, platina este un metal relativ rar. Potrivit experților, odată cu producția industrială de celule de combustibil, rezervele dovedite de platină se vor epuiza în 15-20 de ani. Dar oamenii de știință din întreaga lume încearcă să înlocuiască platina cu alte materiale. Apropo, unii dintre ei au obținut rezultate bune. Deci, oamenii de știință chinezi au înlocuit platina cu oxid de calciu (sursa: www.cheburek.net).

UTILIZAREA PILELOR DE COMBUSTIBIL

Prima pilă de combustie din tehnologia auto a fost testată în 1959. Tractorul Alice-Chambers folosea 1008 baterii pentru a funcționa. Combustibilul era un amestec de gaze, în principal propan și oxigen.

Sursa: http://www.planetseed.com/

De la mijlocul anilor 60, la apogeul „cursei spațiale”, creatorii de nave spațiale au devenit interesați de celulele de combustie. Munca a mii de oameni de știință și ingineri ne-a permis să atingem un nou nivel, iar în 1965. celulele de combustibil au fost testate în Statele Unite pe nava spațială Gemini 5, iar mai târziu pe nava spațială Apollo pentru zboruri către Lună și programul Shuttle. În URSS, celulele de combustie au fost dezvoltate la NPO Kvant, tot pentru utilizare în spațiu (sursa: http://www.powerinfo.ru/).

Deoarece într-o pilă de combustibil produsul final al arderii hidrogenului este apa, acestea sunt considerate cele mai curate din punct de vedere al impactului asupra mediului. Prin urmare, celulele de combustibil au început să câștige popularitate pe fundalul interesului general pentru mediu.

Deja, producătorii de automobile precum Honda, Ford, Nissan și Mercedes-Benz au creat mașini alimentate cu celule de combustibil cu hidrogen.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force alimentat cu hidrogen

Când folosiți mașini cu hidrogen, problema stocării hidrogenului este rezolvată. Construcția de benzinării cu hidrogen va face posibilă realimentarea oriunde. Mai mult decât atât, alimentarea unei mașini cu hidrogen este mai rapidă decât încărcarea unei mașini electrice la o benzinărie. Dar la implementarea unor astfel de proiecte ne-am confruntat cu o problemă asemănătoare cu cea a vehiculelor electrice. Oamenii sunt gata să treacă la o mașină cu hidrogen dacă există infrastructură pentru ei. Și construcția de benzinării va începe dacă există un număr suficient de consumatori. Prin urmare, am ajuns din nou la dilema oului și găinii.

Pilele de combustibil sunt utilizate pe scară largă în telefoanele mobile și laptop-uri. A trecut deja timpul când telefonul a fost încărcat o dată pe săptămână. Acum telefonul se incarca aproape in fiecare zi, iar laptopul functioneaza 3-4 ore fara retea. Prin urmare, producătorii de tehnologie mobilă au decis să sintetizeze o pilă de combustibil cu telefoane și laptopuri pentru încărcare și funcționare. De exemplu, compania Toshiba în 2003. a demonstrat un prototip finit al unei celule de combustibil cu metanol. Produce o putere de aproximativ 100 mW. O reîncărcare a 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de funcționare a player-ului MP3. Din nou, același Toshiba a demonstrat o celulă pentru alimentarea laptopurilor cu dimensiunile 275x75x40mm, permițând computerului să funcționeze timp de 5 ore cu o singură încărcare.

Dar unii producători au mers mai departe. Compania PowerTrekk a lansat un încărcător cu același nume. PowerTrekk este primul încărcător de apă din lume. Este foarte usor de folosit. PowerTrekk necesită adăugarea de apă pentru a furniza energie electrică instantanee prin cablul USB. Această pilă de combustie conține pulbere de siliciu și siliciu de sodiu (NaSi) atunci când este amestecată cu apă, combinația generează hidrogen. Hidrogenul este amestecat cu aer în pila de combustie în sine și transformă hidrogenul în energie electrică prin schimbul membranar-protoni, fără ventilatoare sau pompe. Puteți cumpăra un astfel de încărcător portabil la 149 € (

Pilele de combustie (generatoare electrochimice) reprezintă o metodă de generare a energiei foarte eficientă, durabilă, fiabilă și prietenoasă cu mediul. Inițial, acestea au fost folosite doar în industria spațială, dar astăzi generatoarele electrochimice sunt din ce în ce mai utilizate în diverse domenii: surse de alimentare pentru telefoane mobile și laptopuri, motoare de vehicule, surse de energie autonome pentru clădiri și centrale electrice staționare. Unele dintre aceste dispozitive funcționează ca prototipuri de laborator, în timp ce altele sunt utilizate în scopuri demonstrative sau sunt supuse unor teste de pre-producție. Cu toate acestea, multe modele sunt deja folosite în proiecte comerciale și sunt produse în serie.

Dispozitiv

Pilele de combustie sunt dispozitive electrochimice capabile să asigure o rată mare de conversie a energiei chimice existente în energie electrică.

Dispozitivul cu pile de combustibil include trei părți principale:

1. Secția de producere a energiei electrice;
2. CPU;
3. Transformator de tensiune.

Partea principală a celulei de combustibil este secțiunea de generare a energiei, care este o baterie formată din celule de combustibil individuale. Un catalizator de platină este inclus în structura electrozilor celulei de combustie. Folosind aceste celule, se creează un curent electric constant.

Unul dintre aceste dispozitive are următoarele caracteristici: la o tensiune de 155 volți se produc 1400 de amperi. Dimensiunile bateriei sunt de 0,9 m latime si inaltime si 2,9 m lungime. Procesul electrochimic din acesta se desfășoară la o temperatură de 177 °C, ceea ce necesită încălzirea bateriei în momentul pornirii, precum și îndepărtarea căldurii în timpul funcționării acesteia. În acest scop, în celula de combustibil este inclus un circuit separat de apă, iar bateria este echipată cu plăci speciale de răcire.

Procesul de combustibil transformă gazul natural în hidrogen, care este necesar pentru o reacție electrochimică. Elementul principal al procesorului de combustibil este reformatorul. În el, gazul natural (sau alt combustibil care conține hidrogen) interacționează la presiune ridicată și temperatură ridicată (aproximativ 900 ° C) cu vaporii de apă sub acțiunea unui catalizator de nichel.

Pentru a menține temperatura necesară a reformatorului există un arzător. Din condens se creează aburul necesar pentru reformare. Un curent continuu instabil este generat în bateria celulei de combustibil și un convertor de tensiune este utilizat pentru a-l converti.

De asemenea, în blocul convertor de tensiune există:

• Dispozitive de control.
• Circuite de blocare de siguranță care închid pila de combustibil în timpul diferitelor defecțiuni.

Principiul de funcționare

Cea mai simplă celulă cu membrană de schimb de protoni constă dintr-o membrană polimerică care este situată între anod și catod, precum și catalizatorii catodici și anodici. Membrana polimerică este utilizată ca electrolit.

• Membrana schimbătoare de protoni arată ca un compus organic solid subțire de grosime mică. Această membrană funcționează ca un electrolit; în prezența apei, separă substanța în ioni încărcați negativ și pozitiv.
• Oxidarea începe la anod, iar reducerea are loc la catod. Catodul și anodul dintr-o celulă PEM sunt realizate din material poros; este un amestec de particule de platină și carbon. Platina acționează ca un catalizator, care favorizează reacția de disociere. Catodul și anodul sunt făcute poroase, astfel încât oxigenul și hidrogenul să treacă liber prin ele.
• Anodul și catodul sunt situate între două plăci metalice, furnizează oxigen și hidrogen catodului și anodului și elimină energia electrică, căldura și apa.
• Prin canalele din placă, moleculele de hidrogen intră în anod, unde moleculele sunt descompuse în atomi.
• Ca rezultat al chimisorbției sub influența unui catalizator, atomii de hidrogen sunt transformați în ioni de hidrogen H+ încărcați pozitiv, adică protoni.
• Protonii difuzează către catod prin membrană, iar un flux de electroni merge către catod printr-un circuit electric extern special. La acesta este conectată o sarcină, adică un consumator de energie electrică.
• Oxigenul, care este furnizat catodului, la expunere, intră într-o reacție chimică cu electronii din circuitul electric extern și ionii de hidrogen din membrana schimbătoare de protoni. Ca urmare a acestei reacții chimice, apare apa.

Reacția chimică care are loc în alte tipuri de celule de combustie (de exemplu, cu un electrolit acid sub formă de acid ortofosforic H3PO4) este complet identică cu reacția unui dispozitiv cu membrană schimbătoare de protoni.

feluri

În prezent, sunt cunoscute mai multe tipuri de celule de combustie, care diferă prin compoziția electrolitului utilizat:

• Pile de combustie pe bază de acid ortofosforic sau fosforic (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
• Dispozitive cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC, Pile de combustie cu membrană cu schimb de protoni).
• Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
• Generatoare electrochimice pe bază de carbonat topit (MCFC, Celule de combustie cu carbonat topit).

În prezent, generatoarele electrochimice care utilizează tehnologia PAFC au devenit mai răspândite.

Aplicație

Astăzi, celulele de combustibil sunt folosite în naveta spațială, nave spațiale reutilizabile. Folosesc unități de 12 W. Ei generează toată electricitatea de pe navă spațială. Apa care se formează în timpul reacției electrochimice este folosită pentru băut, inclusiv pentru echipamentele de răcire.

De asemenea, generatoarele electrochimice au fost folosite pentru a alimenta Buranul sovietic, o navă spațială reutilizabilă.

Pilele de combustie sunt folosite și în sectorul civil.

• Instalații staționare cu o putere de 5–250 kW și mai mult. Acestea sunt utilizate ca surse autonome pentru alimentarea cu energie termică și electrică a clădirilor industriale, publice și rezidențiale, surse de alimentare de urgență și de rezervă și surse de alimentare neîntreruptibile.
• Unități portabile cu o putere de 1–50 kW. Sunt folosite pentru sateliți și nave spațiale. Instanțe sunt create pentru cărucioare de golf, scaune cu rotile, frigidere de transport feroviar și de marfă și semne rutiere.
• Instalații mobile cu o putere de 25–150 kW. Ele încep să fie folosite în nave și submarine militare, inclusiv în mașini și alte vehicule. Prototipuri au fost deja create de giganți din automobile precum Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford și alții.
• Microdispozitive cu o putere de 1–500 W. Ei găsesc aplicații în computere portabile avansate, laptopuri, dispozitive electronice de larg consum, telefoane mobile și dispozitive militare moderne.

Particularități

• O parte din energia din reacția chimică din fiecare celulă de combustibil este eliberată sub formă de căldură. Necesită refrigerare. Într-un circuit extern, fluxul de electroni creează un curent continuu care este folosit pentru a lucra. Oprirea mișcării ionilor de hidrogen sau deschiderea circuitului extern duce la oprirea reacției chimice.
• Cantitatea de energie electrică creată de celulele de combustie este determinată de presiunea gazului, temperatură, dimensiunile geometrice și tipul de pile de combustibil. Pentru a crește cantitatea de energie electrică produsă de reacție, celulele de combustie pot fi făcute mai mari, dar în practică se folosesc mai multe celule, care sunt combinate în baterii.
• Procesul chimic din unele tipuri de celule de combustibil poate fi inversat. Adică, atunci când se aplică electrozilor o diferență de potențial, apa poate fi descompusă în oxigen și hidrogen, care vor fi colectate pe electrozii poroși. Când sarcina este pornită, o astfel de pilă de combustibil va genera energie electrică.

Perspective

În prezent, generatoarele electrochimice necesită costuri inițiale mari pentru a fi utilizate ca sursă principală de energie. Odată cu introducerea unor membrane mai stabile cu conductivitate ridicată, catalizatori eficienți și ieftini și surse alternative de hidrogen, celulele de combustie vor deveni foarte atractive din punct de vedere economic și vor fi implementate peste tot.

• Mașinile vor funcționa cu celule de combustie; nu vor fi deloc motoare cu ardere internă. Apa sau hidrogenul în stare solidă vor fi folosite ca sursă de energie. Alimentarea va fi simplă și sigură, iar conducerea va fi ecologică - se vor produce doar vapori de apă.
• Toate clădirile vor avea propriile generatoare portabile de energie cu celule de combustibil.
• Generatoarele electrochimice vor înlocui toate bateriile și vor fi instalate în orice electronică și aparate de uz casnic.

Avantaje și dezavantaje

Fiecare tip de celulă de combustie are propriile sale dezavantaje și avantaje. Unele necesită combustibil de înaltă calitate, altele au un design complex și necesită temperaturi ridicate de funcționare.

În general, pot fi remarcate următoarele avantaje ale celulelor de combustie:

• siguranța mediului;
• generatoarele electrochimice nu trebuie reîncărcate;
• generatoarele electrochimice pot crea energie în mod constant, nu le pasă de condițiile externe;
• flexibilitate la scară și portabilitate.

Printre dezavantaje se numără:

• dificultăți tehnice la depozitarea și transportul combustibilului;
• elemente imperfecte ale dispozitivului: catalizatori, membrane și așa mai departe.

Celule de combustibil ( Celule de combustibil) este un dispozitiv care transformă energia chimică în energie electrică. Este similară în principiu cu o baterie convențională, dar diferă prin faptul că funcționarea acesteia necesită o alimentare constantă cu substanțe din exterior pentru ca reacția electrochimică să aibă loc. Hidrogenul și oxigenul sunt furnizate celulelor de combustie, iar producția este electricitate, apă și căldură. Avantajele lor includ compatibilitatea cu mediul, fiabilitatea, durabilitatea și ușurința în utilizare. Spre deosebire de bateriile convenționale, convertoarele electrochimice pot funcționa practic la nesfârșit atâta timp cât este furnizat combustibil. Nu trebuie să fie încărcate ore întregi până când sunt încărcate complet. Mai mult decât atât, celulele în sine pot încărca bateria în timp ce mașina este parcata cu motorul oprit.

Cele mai utilizate celule de combustibil în vehiculele cu hidrogen sunt celulele de combustibil cu membrană de protoni (PEMFC) și celulele de combustibil cu oxid solid (SOFC).

O celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni funcționează după cum urmează. Între anod și catod există o membrană specială și un catalizator acoperit cu platină. Hidrogenul este furnizat anodului, iar oxigenul (de exemplu, din aer) este furnizat catodului. La anod, hidrogenul este descompus în protoni și electroni cu ajutorul unui catalizator. Protonii de hidrogen trec prin membrană și ajung la catod, iar electronii sunt transferați în circuitul extern (membrana nu le permite să treacă). Diferența de potențial astfel obținută duce la generarea de curent electric. Pe partea catodului, protonii de hidrogen sunt oxidați de oxigen. Ca urmare, apar vaporii de apă, care este principalul element al gazelor de eșapament ale mașinii. Cu o eficiență ridicată, celulele PEM au un dezavantaj semnificativ - funcționarea lor necesită hidrogen pur, a cărui stocare este o problemă destul de serioasă.

Dacă se găsește un astfel de catalizator care înlocuiește platina scumpă în aceste celule, atunci va fi creată imediat o celulă de combustibil ieftină pentru generarea de energie electrică, ceea ce înseamnă că lumea va scăpa de dependența de petrol.

Celule de oxid solid

Celulele SOFC cu oxid solid sunt mult mai puțin solicitante cu privire la puritatea combustibilului. În plus, datorită utilizării unui reformator POX (oxidare parțială), astfel de celule pot consuma benzină obișnuită ca combustibil. Procesul de transformare directă a benzinei în energie electrică este următorul. Într-un dispozitiv special - un reformator, la o temperatură de aproximativ 800 ° C, benzina se evaporă și se descompune în elementele sale constitutive.

Aceasta eliberează hidrogen și dioxid de carbon. Mai mult, tot sub influența temperaturii și folosind direct SOFC (constând dintr-un material ceramic poros pe bază de oxid de zirconiu), hidrogenul este oxidat de oxigenul din aer. După obținerea hidrogenului din benzină, procesul continuă conform scenariului descris mai sus, cu o singură diferență: celula de combustibil SOFC, spre deosebire de dispozitivele care funcționează pe hidrogen, este mai puțin sensibilă la impuritățile din combustibilul original. Deci, calitatea benzinei nu ar trebui să afecteze performanța celulei de combustie.

Temperatura ridicată de funcționare a SOFC (650–800 de grade) este un dezavantaj semnificativ; procesul de încălzire durează aproximativ 20 de minute. Dar excesul de căldură nu este o problemă, deoarece este complet îndepărtat de aerul și gazele de eșapament rămase produse de reformator și de pila de combustibil în sine. Acest lucru permite ca sistemul SOFC să fie integrat într-un vehicul ca dispozitiv separat într-o carcasă izolată termic.

Structura modulară vă permite să atingeți tensiunea necesară prin conectarea unui set de celule standard în serie. Și, poate cel mai important din punctul de vedere al implementării unor astfel de dispozitive, SOFC nu conține electrozi foarte scumpi pe bază de platină. Costul ridicat al acestor elemente este unul dintre obstacolele în dezvoltarea și diseminarea tehnologiei PEMFC.

Tipuri de celule de combustibil

În prezent, există următoarele tipuri de celule de combustie:

• A.F.C.– Pilă de combustibil alcalină (pilă de combustibil alcalină);
• PAFC– Pilă de combustibil cu acid fosforic (pilă de combustibil cu acid fosforic);
• PEMFC– Pilă de combustie cu membrană de schimb de protoni (pilă de combustie cu membrană de schimb de protoni);
• DMFC– Direct Methanol Fuel Cell (pilă de combustie cu descompunere directă a metanolului);
• MCFC– Celula de combustie cu carbonat topit (celula de combustibil din carbonat topit);
• SOFC– Pilă de combustie cu oxid solid (pilă de combustibil cu oxid solid).

Avantajele celulelor/pilelor de combustie

O celulă de combustie este un dispozitiv care produce eficient curent continuu și căldură din combustibilul bogat în hidrogen printr-o reacție electrochimică.

O celulă de combustibil este similară cu o baterie prin faptul că produce curent continuu printr-o reacție chimică. Pila 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 și nu se descarcă și nu necesită electricitate pentru a se reîncărca. Pilele/pilele de combustie pot produce 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 cu ardere internă sau turbinele alimentate cu gaz, cărbune, păcură 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 produc energie electrică 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. Singurii produse de emisie în timpul funcționării sunt apa sub formă de abur și o cantitate mică de dioxid de carbon, care nu se eliberează deloc dacă se folosește hidrogen pur drept combustibil. Elementele/pilele de combustibil sunt asamblate în ansambluri și apoi în module funcționale individuale.

Istoricul dezvoltării pilelor/pilelor de combustie

În anii 1950 și 1960, una dintre cele mai presante provocări pentru celulele de combustibil a apărut din nevoia Administrației Naționale de Aeronautică și Spațiu (NASA) de surse de energie pentru misiunile spațiale de lungă durată. Pila de combustibil alcalină a NASA folosește hidrogenul și oxigenul ca combustibil combinând cele două elemente chimice într-o reacție electrochimică. Rezultatele sunt trei produse secundare utile ale reacției în zborul spațial - electricitate pentru alimentarea navei spațiale, apă pentru sistemele de băut și răcire și căldură pentru a încălzi astronauții.

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 combustie cu un electrolit alcalin și 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 și în 1958 a fost introdus un ansamblu de combustibil format din pile/pile de combustie alcaline cu un diametru de puțin peste 25 cm.

Interesul a crescut în anii 1950 și 1960, precum și în anii 1980, când lumea industrială a cunoscut o penurie de combustibili petrolieri. În aceeași perioadă, țările lumii au devenit și ele preocupate de problema poluării aerului și au luat în considerare modalități de a genera electricitate într-o manieră ecologică. Tehnologia celulelor de combustie este în prezent în curs de dezvoltare rapidă.

Principiul de funcționare al celulelor/pilelor de combustie

Pilele/pilele de combustie produc energie electrică și căldură datorită unei reacții electrochimice care are loc folosind un electrolit, un catod și un anod.

Anodul și catodul sunt separate de un electrolit care conduce protonii. După ce hidrogenul curge către anod și oxigenul către catod, începe o reacție chimică, în urma căreia se generează curent electric, căldură și apă.

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

Mai jos este reacția corespunzătoare:

Reacția la anod: 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 elemente de combustibil/pile

Așa cum există diferite tipuri de motoare cu ardere internă, există diferite tipuri de pile de combustie - alegerea tipului potrivit 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.

Pile/celule de combustibil cu 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 procesor de combustibil și a gazului combustibil cu putere calorică scăzută din procese industriale și din alte surse.

Funcționarea RCFC diferă de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit format dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. In prezent se folosesc doua tipuri de amestecuri: carbonat de litiu si carbonat de potasiu sau carbonat de litiu si carbonat de sodiu. Pentru a topi sărurile carbonatice și pentru a obține un grad ridicat de mobilitate ionică 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 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 la anod: 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 de construcție standard, cum ar fi table de oțel inoxidabil și catalizator de nichel pe electrozi. Căldura reziduală poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune pentru o varietate de scopuri industriale și comerciale.

Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au, de asemenea, avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate necesită timp semnificativ pentru a atinge condiții optime de funcționare, iar sistemul răspunde mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea instalațiilor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate împiedică monoxidul de carbon să deterioreze pila de combustibil.

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

Pile/pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

Pilele de combustie cu acid fosforic (ortofosforic) au fost primele celule de combustie destinate utilizării comerciale.

Pilele de combustibil cu 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 combustie 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 o membrană de schimb de protoni, în care hidrogenul furnizat anodului este împărțit în protoni și electroni. Protonii călătoresc prin electrolit și se combină cu oxigenul din aer la catod pentru a forma apă. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Mai jos sunt reacțiile care generează curent electric și căldură.

Reacția la anod: 2H 2 => 4H ++ 4e -
Reacția la catod: O 2 (g) + 4H + + 4e - => 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. Cu 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 care utilizează pile de combustie pe bază de acid fosforic (ortofosforic) în producția combinată de energie termică și electrică este unul dintre avantajele acestui tip de pile de combustie. Unitățile folosesc monoxid de carbon cu o concentrație de aproximativ 1,5%, ceea ce extinde semnificativ alegerea combustibilului. În plus, CO 2 nu afectează electrolitul și funcționarea celulei de combustie; acest tip de celulă funcționează cu combustibil natural reformat. Designul simplu, gradul scăzut de volatilitate a electrolitului și stabilitatea sporită sunt, de asemenea, avantaje ale acestui tip de pile de combustie.

Centralele termice cu putere electrică de ieșire de până la 500 kW sunt produse comercial. Instalațiile de 11 MW au trecut testele corespunzătoare. Sunt în curs de dezvoltare instalații cu putere de ieșire de până la 100 MW.

Pile de combustie 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, permițând utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără un pretratare special. Pentru a face față unor astfel de temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe o bază ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O2-).

Electrolitul solid asigură o tranziție etanșă a gazului 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 din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul, creând patru electroni liberi. Electronii sunt trimiși 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 - => 2O 2-
Reacția generală a elementului: 2H 2 + O 2 => 2H 2 O

Eficiența energiei electrice produse este cea mai mare dintre toate celulele de combustie - aproximativ 60-70%. Temperaturile ridicate de funcționare permit producția combinată de energie termică și electrică pentru a genera abur de înaltă presiune. Combinarea unei celule de combustie de înaltă temperatură cu o turbină face posibilă crearea unei celule de combustibil hibride pentru a crește eficiența generării de energie electrică cu până la 75%.

Pilele de combustie cu oxid solid funcționează la temperaturi foarte ridicate (600°C–1000°C), rezultând un timp semnificativ pentru atingerea condițiilor optime de funcționare și un răspuns mai lent al sistemului la modificările consumului de energie. La temperaturi de funcționare atât de ridicate, nu este necesar niciun convertor pentru a recupera hidrogenul din combustibil, permițând centralei termice să funcționeze cu combustibili relativ impuri rezultati din gazeificarea cărbunelui sau a gazelor reziduale etc. Celula de combustie este, de asemenea, excelentă pentru aplicații de mare putere, inclusiv centrale industriale și centrale mari. Modulele cu o putere electrică de ieșire de 100 kW sunt produse comercial.

Pile/celule de combustibil cu oxidare directă a metanolului (DOMFC)

Tehnologia utilizării pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului trece printr-o perioadă de dezvoltare activă. S-a dovedit cu succes în domeniul alimentării telefoanelor mobile, laptop-urilor, precum și în crearea de surse de alimentare portabile. Acesta este scopul utilizării viitoare a acestor elemente.

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu celulele de combustie cu membrană de schimb de protoni (MEPFC), 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) se oxidează în prezența apei la anod, eliberând CO 2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel 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 (ALFC)

Pilele de combustie alcaline sunt una dintre cele mai eficiente celule folosite pentru a genera energie electrică, eficiența de generare a energiei ajungând până la 70%.

Pilele de combustibil alcaline folosesc un electrolit, 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 în SHTE este ionul hidroxil (OH -), care se deplasează de la catod la anod, unde reacţionează cu hidrogenul, producând apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxil acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce electricitate 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 SHTE este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de produs, deoarece catalizatorul necesar electrozilor poate fi oricare dintre substanțele care sunt mai ieftine decât cele utilizate ca catalizatori pentru alte celule de combustibil. SFC funcționează la temperaturi relativ scăzute și sunt printre cele mai eficiente celule de combustibil - astfel de caracteristici pot contribui, în consecință, la o generare mai rapidă de energie 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 SHTE este limitată la spațiile 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 combustibil și chiar acționează ca combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SHFC.

Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC)

În cazul pilelor de combustie cu electrolit polimeric, membrana polimerică este formată din fibre polimerice cu regiuni de apă în care există o conducere a ionilor de apă H2O+ (proton, roșu) se atașează la o moleculă de apă). Moleculele de apă reprezintă o problemă din cauza schimbului lent de ioni. Prin urmare, este necesară o concentrație mare de apă atât în ​​combustibil, cât și la electrozii de ieșire, limitând temperatura de funcționare la 100°C.

Pile/pile de combustibil acid solid (SFC)

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

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

1. Baterie cu pile de combustibil
2. Alte echipamente care funcționează la temperaturi ridicate (generator de abur integrat, cameră de ardere, schimbător de echilibru termic)
3. Izolatie rezistenta la caldura

Modul de pile de combustibil

Analiza comparativă a tipurilor și varietăților de celule de combustie

Centralele municipale inovatoare de energie termică și energetică sunt construite de obicei pe celule de combustibil cu oxid solid (SOFC), celule de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC), celule de combustibil cu acid fosforic (PAFC), celule de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) și pile de combustibil alcaline ( ALFC). . Au de obicei următoarele caracteristici:

Cele mai potrivite ar trebui considerate pile de combustibil cu oxid solid (SOFC), care:

• funcționează la temperaturi mai ridicate, reducând nevoia de metale prețioase scumpe (cum ar fi platina)
• poate lucra pentru tipuri variate combustibili cu hidrocarburi, în principal gaze naturale
• au un timp de pornire mai lung și, prin urmare, sunt mai potrivite pentru acțiuni pe termen lung
• demonstrează o eficiență ridicată de generare a energiei (până la 70%)
• Datorită temperaturilor ridicate de funcționare, unitățile pot fi combinate cu sisteme de transfer de căldură, aducând eficiența generală a sistemului la 85%
• au emisii practic 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	Eficienta generarii de energie	Tipul combustibilului	Zona de aplicare
RKTE	550–700°C	50-70%		Instalatii medii si mari
FCTE	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
PEMFC	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. Atunci când se folosesc centrale termice mici pe bază de celule de combustie cu oxid solid, căldura generată poate fi integrată în schimbătoare de căldură pentru a încălzi apa și aerul de ventilație, crescând eficiența generală a sistemului. Această tehnologie inovatoare este cea mai potrivită pentru a genera energie electrică în mod eficient, fără a fi nevoie de infrastructură costisitoare și de integrare complexă a instrumentelor.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de telecomunicații

Datorită proliferării rapide a sistemelor de comunicații fără fir în întreaga lume, precum și a beneficiilor socio-economice din ce în ce mai mari ale tehnologiei de telefonie mobilă, necesitatea unei rezervări de energie fiabile și rentabile a devenit critică. Pierderile rețelei de energie electrică pe tot parcursul anului din cauza condițiilor meteorologice nefavorabile, dezastrelor naturale sau capacității limitate ale rețelei reprezintă o provocare continuă pentru operatorii de rețea.

Soluțiile tradiționale de rezervă pentru energie de telecomunicații includ baterii (celula bateriei cu plumb-acid reglată prin supapă) pentru energie de rezervă pe termen scurt și generatoare diesel și propan pentru energie de rezervă pe termen lung. Bateriile sunt o sursă relativ ieftină de energie de rezervă pentru 1 - 2 ore. Cu toate acestea, bateriile nu sunt potrivite pentru alimentarea de rezervă pe termen lung, deoarece sunt costisitoare de întreținut, devin nefiabile după perioade lungi de utilizare, sunt sensibile la temperaturi și sunt periculoase pentru mediu după eliminare. Generatoarele diesel și propan pot oferi energie de rezervă pe termen lung. Cu toate acestea, generatoarele pot fi nefiabile, necesită întreținere intensivă a forței de muncă și emit niveluri ridicate de poluanți și gaze cu efect de seră.

Pentru a depăși limitările soluțiilor tradiționale de rezervă a energiei, a fost dezvoltată tehnologia inovatoare a celulelor de combustibil verde. 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, costurile pe durata de viață ale unei astfel de instalații sunt mai mici decât cele ale unui generator. Costurile mai mici ale celulelor de combustibil rezultă dintr-o singură vizită de întreținere pe an și o productivitate semnificativ mai mare a fabricii. La sfârșitul zilei, pila de combustie este o soluție de tehnologie ecologică cu impact minim asupra mediului.

Instalațiile de celule de combustie oferă energie de rezervă pentru infrastructurile critice de rețele de comunicații pentru comunicații wireless, permanente și în bandă largă în sistemul de telecomunicații, variind de la 250 W la 15 kW, oferind multe caracteristici inovatoare de neegalat:

• FIABILITATE– puține părți în mișcare și nicio descărcare în modul de așteptare
• ECONOMIE DE ENERGIE
• TĂCERE– nivel scăzut de zgomot
• DURABILITATE– 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
• CERINȚA DE ÎNTREȚINERE MICĂ– întreținere anuală minimă
• ECONOMIC- cost total de proprietate atractiv
• ENERGIE VERDE– emisii reduse cu impact minim asupra mediului

Sistemul detectează mereu tensiunea magistralei DC și acceptă fără probleme sarcinile critice dacă tensiunea magistralei DC scade sub un punct de referință definit de utilizator. Sistemul funcționează cu hidrogen, care este furnizat stivei de celule de combustie într-unul din două moduri - fie dintr-o sursă industrială de hidrogen, fie dintr-un combustibil lichid de metanol și apă, folosind un sistem integrat de reformare.

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

Pilele de combustie oferă economii superioare de energie, fiabilitate îmbunătățită a sistemului, performanțe mai previzibile într-o gamă largă de climate și durabilitate operațională fiabilă în comparație cu acumulatorii standard cu supapă reglate cu plumb-acid. Costurile pe durata de viață sunt, de asemenea, mai mici datorită cerințelor semnificativ mai mici de întreținere și înlocuire. Pilele de combustie oferă beneficii de mediu pentru utilizatorul final, deoarece costurile de eliminare și riscurile de răspundere asociate cu celulele cu plumb-acid reprezintă 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, ciclul, 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, similar unui 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 combustibil de metanol și apă. Metanolul este un combustibil disponibil pe scară largă, produs comercial, care are în prezent multe utilizări, inclusiv spălarea parbrizului, sticle de plastic, aditivi pentru motor, vopsele în emulsie. Metanolul este ușor de transportat, poate fi amestecat cu apă, are o bună biodegradabilitate și nu conține sulf. Are un punct de îngheț scăzut (-71°C) și nu se descompune în timpul depozitării pe termen lung.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în rețelele de comunicații

Rețelele de comunicații securizate necesită soluții de alimentare de rezervă fiabile, care pot funcționa ore sau zile în situații de urgență, dacă rețeaua electrică nu mai este disponibilă.

Cu puține piese în mișcare și fără pierderi de putere în standby, tehnologia inovatoare cu celule de combustibil oferă o soluție atractivă pentru sistemele actuale de alimentare de rezervă.

Cel mai convingător argument pentru utilizarea tehnologiei celulelor de combustie în rețelele de comunicații este fiabilitatea generală și siguranța crescută. În timpul unor evenimente precum întreruperile de curent, cutremure, furtuni și uragane, este important ca sistemele să continue să funcționeze și să fie furnizate cu energie de rezervă fiabilă pe o perioadă lungă de timp, indiferent de temperatură sau de vechimea sistemului de alimentare de rezervă.

Linia de dispozitive de alimentare bazate pe celule de combustie este ideală pentru suportul rețelelor de comunicații clasificate. 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. O întrerupere a curentului în astfel de rețele nu numai că reprezintă un pericol pentru informațiile transmise, ci și, de regulă, duce la pierderi financiare semnificative. Instalațiile fiabile și inovatoare de celule de combustibil care asigură alimentarea cu energie de rezervă oferă fiabilitatea necesară pentru a asigura o alimentare neîntreruptă.

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

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

• Aplicații cu cantități consumate de la 100 W la 15 kW
• Aplicații cu cerințe de viață a bateriei > 4 ore
• Repetoare în sistemele cu fibră optică (ierarhia sistemelor digitale sincrone, Internet de mare viteză, voce peste IP...)
• Noduri de rețea pentru transmisia de date de mare viteză
• Noduri de transmisie WiMAX

Instalațiile de rezervă pentru alimentarea cu pile de combustie oferă numeroase beneficii pentru infrastructurile de rețea de date esențiale în comparație cu generatoarele tradiționale de baterii sau diesel, permițând opțiuni sporite de implementare la fața locului:

1. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema plasării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.
2. Datorită funcționării lor silențioase, greutății reduse, rezistenței la schimbările de temperatură și funcționării practic fără vibrații, pilele de combustibil pot fi instalate în exteriorul clădirilor, în clădiri industriale/containere sau pe acoperișuri.
3. Pregătirile pentru utilizarea sistemului la fața locului sunt rapide și economice, iar costurile de operare sunt reduse.
4. Combustibilul este biodegradabil și oferă o soluție ecologică pentru mediile urbane.

Aplicarea pilelor/pilelor de combustie în sistemele de securitate

Cele mai atent proiectate sisteme de securitate și comunicații ale clădirii sunt la fel de fiabile ca și sursa de alimentare care le susține. În timp ce majoritatea sistemelor includ un anumit tip de sistem de rezervă a energiei neîntreruptibile pentru pierderile de energie pe termen scurt, ele nu găzduiesc întreruperile de curent pe termen lung 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 și control al accesului CCTV (cititoare de cărți de identitate, dispozitive de blocare 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 unei sursă alternativă de alimentare fiabilă, de lungă durată.

Generatoarele diesel fac mult zgomot, sunt dificil de localizat și au probleme bine-cunoscute de fiabilitate și întreținere. În schimb, o instalație de celule de combustie care oferă energie de rezervă este silențioasă, fiabilă, produce emisii zero sau foarte scăzute și poate fi instalată cu ușurință pe un acoperiș sau în afara unei clădiri. Nu se descarcă și nu pierde energie în modul de așteptare. Acesta asigură funcționarea continuă a sistemelor critice, chiar și după ce instalația își încetează activitatea și clădirea este eliberată.

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, în special, cu niveluri ridicate de economisire a energiei.

Instalațiile de rezervă pentru alimentarea cu celule de combustibil oferă numeroase avantaje pentru utilizare în aplicații critice, cum ar fi sistemele de securitate și controlul clădirilor, față de aplicațiile tradiționale alimentate cu baterii sau generatoare diesel. Tehnologia combustibilului lichid rezolvă problema plasării hidrogenului și oferă putere de rezervă practic nelimitată.

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

Pilele de combustie cu oxid solid (SOFC) furnizează centrale termice fiabile, eficiente din punct de vedere energetic și fără emisii pentru a genera electricitate și căldură din gaze naturale disponibile pe scară largă și surse regenerabile de combustibil. Aceste instalații inovatoare sunt utilizate pe o varietate de piețe, de la generarea de energie la domiciliu până la alimentarea de la distanță, precum și sursele de alimentare auxiliare.

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 de eficiență a generării de energie electrică atunci când aceasta este generată la o centrală termică și transmisă către locuințe prin rețelele tradiționale de transport a energiei electrice utilizate în prezent. Pierderile de eficiență în producția centralizată 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, o gospodărie poate folosi căldura generată de celulele de combustie pentru a încălzi apa și spațiul, ceea ce crește eficiența globală a procesării energiei combustibilului și crește economiile de energie.

Utilizarea pilelor de combustie pentru protejarea mediului - utilizarea gazelor petroliere asociate

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

Centralele termice inovatoare care utilizează celule de combustie care utilizează gaz petrolier asociat drept combustibil deschid calea către o soluție radicală și rentabilă la problemele utilizării gazului petrolier asociat.

1. Unul dintre principalele avantaje ale instalațiilor de celule de combustie este că pot funcționa în mod fiabil și stabil pe gaz petrolier asociat cu compoziție variabilă. Datorită reacției chimice fără flacără care stă la baza funcționării celulei de combustie, o scădere a procentului, de exemplu, de metan provoacă doar o scădere corespunzătoare a puterii de ieșire.
2. Flexibilitate în raport cu sarcina electrică a consumatorilor, cădere, supratensiune de sarcină.
3. Pentru instalarea și conectarea centralelor termice pe celule de combustie, implementarea acestora nu necesită costuri de capital, deoarece Unitățile pot fi instalate cu ușurință pe site-uri nepregătite în apropierea câmpurilor, sunt ușor de utilizat, fiabile și eficiente.
4. Automatizarea ridicată și telecomanda modernă nu necesită prezența permanentă a personalului la instalație.
5. Simplitatea și perfecțiunea tehnică a designului: absența pieselor în mișcare, a frecării și a sistemelor de lubrifiere oferă beneficii economice semnificative din funcționarea instalațiilor de celule de combustie.
6. Consum de apă: niciunul la temperaturi ambientale de până la +30 °C și neglijabil la temperaturi mai ridicate.
7. Ieșire apă: niciuna.
8. În plus, centralele termice care utilizează celule de combustie nu fac zgomot, nu vibrează, nu produc emisii nocive în atmosferă