Care este scopul unei membrane într-o celulă de combustibil? Diverse module de celule de combustibil

Partea 1

Acest articol discută mai detaliat principiul funcționării pilelor de combustie, designul lor, clasificarea, avantajele și dezavantajele, domeniul de aplicare, eficiența, istoria creației și perspectivele moderne de utilizare. În partea a doua a articolului, care va fi publicat în numărul următor al revistei ABOK, oferă exemple de facilități în care diferite tipuri de pile de combustie au fost folosite ca surse de căldură și energie electrică (sau numai electricitate).

Introducere

Pilele de combustie sunt o modalitate foarte eficientă, fiabilă, durabilă și ecologică de a genera energie.

Folosite inițial doar în industria spațială, pilele de combustie sunt acum din ce în ce mai utilizate într-o varietate de domenii - ca centrale electrice staționare, surse autonome de căldură și alimentare cu energie a clădirilor, motoare. Vehicul, surse de alimentare pentru laptopuri si telefoane mobile. Unele dintre aceste dispozitive sunt prototipuri de laborator, unele sunt supuse unor teste de pre-serie sau sunt folosite în scopuri demonstrative, dar multe modele sunt produse în serie și utilizate în proiecte comerciale.

O celulă de combustie (generator electrochimic) este un dispozitiv care transformă energia chimică a combustibilului (hidrogenul) în energie electrică direct în procesul unei reacții electrochimice, spre deosebire de tehnologiile tradiționale care folosesc arderea combustibililor solizi, lichizi și gazoși. Conversia electrochimică directă a combustibilului este foarte eficientă și atractivă din punct de vedere al mediului, deoarece cantitatea minimă de poluanți este eliberată în timpul funcționării și nu există zgomote și vibrații puternice.

Din punct de vedere practic, o pilă de combustibil seamănă cu o baterie galvanică convențională. Diferența constă în faptul că inițial bateria este încărcată, adică umplută cu „combustibil”. În timpul funcționării, „combustibil” este consumat și bateria este descărcată. Spre deosebire de o baterie, o celulă de combustibil folosește combustibil furnizat dintr-o sursă externă pentru a genera energie electrică (Fig. 1).

Pentru producerea energiei electrice se poate folosi nu numai hidrogenul pur, ci și alte materii prime care conțin hidrogen, cum ar fi gazul natural, amoniacul, metanolul sau benzina. Aerul obișnuit este folosit ca sursă de oxigen, care este, de asemenea, necesară pentru reacție.

Când hidrogenul pur este folosit ca combustibil, produsele de reacție, pe lângă energia electrică, sunt căldura și apa (sau vaporii de apă), adică nu sunt emise în atmosferă gaze care să provoace poluarea aerului sau să producă efect de seră. Dacă o materie primă care conține hidrogen, cum ar fi gazul natural, este utilizată ca combustibil, alte gaze, cum ar fi oxizii de carbon și azot, vor fi un produs secundar al reacției, dar cantitatea sa este mult mai mică decât atunci când ardem aceeași. cantitatea de gaz natural.

Procesul de conversie chimică a combustibilului pentru a produce hidrogen se numește reformare, iar dispozitivul corespunzător se numește reformator.

Avantajele și dezavantajele pilelor de combustie

Pilele de combustie sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât motoarele cu ardere internă, deoarece nu există o limitare termodinamică a eficienței energetice pentru celulele de combustie. Eficiența celulelor de combustie este de 50%, în timp ce randamentul motoarelor cu ardere internă este de 12-15%, iar eficiența centralelor cu turbine cu abur nu depășește 40%. Prin utilizarea căldurii și a apei, eficiența celulelor de combustie este sporită și mai mult.

Spre deosebire, de exemplu, de motoarele interne randamentul arderii celulele de combustibil rămân foarte ridicate chiar și atunci când nu funcționează la putere maximă. În plus, puterea pilelor de combustie poate fi mărită prin simpla adăugare de blocuri separate, în timp ce eficiența nu se modifică, adică instalațiile mari sunt la fel de eficiente ca și cele mici. Aceste circumstanțe permit o selecție foarte flexibilă a compoziției echipamentelor în conformitate cu dorințele clientului și conduc în cele din urmă la o reducere a costurilor echipamentelor.

Un avantaj important al celulelor de combustie este respectarea mediului. Emisiile în aer de poluanți din funcționarea celulelor de combustie sunt atât de scăzute încât în ​​unele zone ale Statelor Unite nu necesită o autorizație specială de la agentii guvernamentale controlul calitatii mediului aerian.

Pilele de combustie pot fi amplasate direct în clădire, reducând astfel pierderile în timpul transportului de energie, iar căldura generată de reacție poate fi folosită pentru a furniza căldură sau apă caldă clădirii. Sursele autonome de energie termică și de alimentare cu energie electrică pot fi foarte benefice în zonele îndepărtate și în regiunile care se caracterizează printr-o lipsă de energie electrică și costul ridicat al acesteia, dar în același timp există rezerve de materii prime care conțin hidrogen (petrol, gaze naturale) .

Avantajele celulelor de combustie sunt, de asemenea, disponibilitatea combustibilului, fiabilitatea (nu există piese mobile în celula de combustibil), durabilitatea și ușurința în exploatare.

Unul dintre principalele deficiențe ale pilelor de combustie de astăzi este costul lor relativ ridicat, dar acest neajuns poate fi depășit în curând - tot mai multe companii produc mostre comerciale de celule de combustie, acestea sunt în mod constant îmbunătățite, iar costul lor este în scădere.

Cea mai eficientă utilizare a hidrogenului pur ca combustibil, totuși, aceasta va necesita crearea unei infrastructuri speciale pentru producerea și transportul acestuia. În prezent, toate modelele comerciale folosesc gaz natural și combustibili similari. Autovehiculele pot folosi benzină obișnuită, ceea ce va permite menținerea rețelei dezvoltate de benzinării existente. Cu toate acestea, utilizarea unui astfel de combustibil duce la emisii nocive în atmosferă (deși foarte scăzute) și complică (și, prin urmare, crește costul) celulei de combustie. În viitor, posibilitatea de a utiliza surse de energie regenerabilă ecologice (de exemplu, energie solara sau energia eoliană) pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen prin electroliză și apoi convertirea combustibilului rezultat într-o celulă de combustie. Astfel de instalații combinate care funcționează într-un ciclu închis pot fi o sursă de energie complet ecologică, fiabilă, durabilă și eficientă.

O altă caracteristică a celulelor de combustie este că acestea sunt cele mai eficiente atunci când folosesc atât energia electrică, cât și cea termică în același timp. Cu toate acestea, posibilitatea utilizării energiei termice nu este disponibilă la fiecare unitate. În cazul utilizării pilelor de combustie doar pentru generarea de energie electrică, randamentul acestora scade, deși depășește eficiența instalațiilor „tradiționale”.

Istoria și utilizările moderne ale pilelor de combustibil

Principiul de funcționare al celulelor de combustie a fost descoperit în 1839. Omul de știință englez William Robert Grove (1811-1896) a descoperit că procesul de electroliză - descompunerea apei în hidrogen și oxigen prin intermediul unui curent electric - este reversibil, adică hidrogenul și oxigenul pot fi combinate în molecule de apă fără ardere, dar cu degajarea de căldură și curent electric. Grove a numit dispozitivul în care a avut loc o astfel de reacție „baterie cu gaz”, care a fost prima celulă de combustibil.

Dezvoltarea activă a tehnologiilor cu celule de combustie a început după cel de-al doilea război mondial și este asociată cu industria aerospațială. La acea vreme s-au efectuat căutări pentru o sursă de energie eficientă și fiabilă, dar în același timp destul de compactă. În anii 1960, experții NASA (National Aeronautics and Space Administration, NASA) au ales celulele de combustie ca sursă de energie pentru navele spațiale ale programelor Apollo (zboruri cu echipaj către Lună), Apollo-Soyuz, Gemini și Skylab. Apollo a folosit trei unități de 1,5 kW (2,2 kW putere de vârf) folosind hidrogen și oxigen criogenic pentru a produce electricitate, căldură și apă. Masa fiecărei instalații a fost de 113 kg. Aceste trei celule au funcționat în paralel, dar energia generată de o unitate a fost suficientă pentru o întoarcere în siguranță. Pe parcursul a 18 zboruri, pilele de combustibil au acumulat un total de 10.000 de ore fără nicio defecțiune. În prezent, celulele de combustie sunt folosite în naveta spațială „Space Shuttle”, care folosește trei unități cu o putere de 12 W, care generează toată energia electrică de la bordul navei spațiale (Fig. 2). Apa obținută în urma unei reacții electrochimice este folosită ca apă potabilă, precum și pentru echipamente de răcire.

În țara noastră se lucrează și la crearea pilelor de combustie pentru utilizare în astronautică. De exemplu, celulele de combustibil au fost folosite pentru alimentare navă sovietică„Buran” reutilizabil.

Dezvoltarea metodelor de utilizare comercială a pilelor de combustie a început la mijlocul anilor 1960. Aceste dezvoltări au fost parțial finanțate de organizații guvernamentale.

În prezent, dezvoltarea tehnologiilor de utilizare a pilelor de combustie merge în mai multe direcții. Este vorba despre crearea de centrale staționare pe pile de combustie (atât pentru alimentarea centralizată, cât și descentralizată de energie), centrale de vehicule (au fost create mostre de mașini și autobuze pe celule de combustie, inclusiv la noi) (Fig. 3), și precum şi surse de energie de diverse dispozitive mobile(laptop-uri, telefoane mobile etc.) (Fig. 4).

Exemple de utilizare a pilelor de combustie în diverse domenii sunt date în tabel. unu.

Unul dintre primele modele comerciale de celule de combustie concepute pentru alimentarea autonomă cu energie termică și electrică a clădirilor a fost PC25 Model A produs de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.). Aceasta pila de combustibil cu o putere nominala de 200 kW apartine tipului de celule cu electrolit pe baza de acid fosforic (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Numărul „25” din numele modelului înseamnă număr de serie desene. Majoritatea modelelor anterioare au fost piese experimentale sau de testare, cum ar fi modelul „PC11” de 12,5 kW care a apărut în anii 1970. Noile modele au crescut puterea preluată de la o singură pilă de combustie și, de asemenea, au redus costul pe kilowatt de energie produsă. În prezent, unul dintre cele mai eficiente modele comerciale este celula de combustibil PC25 Model C. Ca și modelul „A”, aceasta este o pilă de combustibil de tip PAFC complet automată de 200 kW proiectată pentru instalarea direct pe obiectul deservit ca sursă independentă de căldură și alimentare. O astfel de pilă de combustibil poate fi instalată în afara clădirii. În exterior, este un paralelipiped de 5,5 m lungime, 3 m lățime și 3 m înălțime, cântărind 18.140 kg. Diferența față de modelele anterioare este un reformator îmbunătățit și o densitate de curent mai mare.

În unele tipuri de celule de combustie, procesul chimic poate fi inversat: prin aplicarea unei diferențe de potențial la electrozi, apa poate fi descompusă în hidrogen și oxigen, care sunt colectate pe electrozi poroși. Când o sarcină este conectată, o astfel de pilă de combustibil regenerativă va începe să genereze energie electrică.

O direcție promițătoare pentru utilizarea pilelor de combustie este utilizarea lor în combinație cu surse de energie regenerabilă, cum ar fi panourile fotovoltaice sau turbinele eoliene. Această tehnologie vă permite să evitați complet poluarea aerului. Un sistem similar este planificat să fie creat, de exemplu, la Centrul de Formare Adam Joseph Lewis din Oberlin (vezi ABOK, 2002, nr. 5, p. 10). În prezent, panourile solare sunt folosite ca una dintre sursele de energie în această clădire. Împreună cu specialiștii NASA, a fost dezvoltat un proiect de utilizare a panourilor fotovoltaice pentru a produce hidrogen și oxigen din apă prin electroliză. Hidrogenul este apoi folosit în celulele de combustie pentru a genera energie electrică și apa fierbinte. Acest lucru va permite clădirii să mențină performanța tuturor sistemelor în timpul zilelor înnorate și pe timp de noapte.

Principiul de funcționare a pilelor de combustibil

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unei celule de combustie folosind cel mai simplu element cu o membrană de schimb de protoni (Proton Exchange Membrane, PEM) ca exemplu. Un astfel de element constă dintr-o membrană polimerică plasată între anod (electrodul pozitiv) și catod (electrodul negativ) împreună cu catalizatorii anod și catodic. Ca electrolit se folosește o membrană polimerică. Diagrama elementului PEM este prezentată în fig. 5.

O membrană schimbătoare de protoni (PEM) este un compus organic solid subțire (aproximativ 2-7 coli de hârtie simplă grosime). Această membrană funcționează ca un electrolit: separă materia în ioni încărcați pozitiv și negativ în prezența apei.

La anod are loc un proces oxidativ, iar la catod are loc un proces de reducere. Anodul și catodul din celula PEM sunt realizate dintr-un material poros, care este un amestec de particule de carbon și platină. Platina acționează ca un catalizator care favorizează reacția de disociere. Anodul și catodul sunt făcute poroase pentru trecerea liberă a hidrogenului și, respectiv, oxigenului prin ele.

Anodul și catodul sunt plasate între două plăci metalice, care furnizează hidrogen și oxigen anodului și catodului și elimină căldura și apa, precum și energia electrică.

Moleculele de hidrogen trec prin canalele din placă către anod, unde moleculele se descompun în atomi individuali (Fig. 6).

Apoi, ca urmare a chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen, fiecare donând câte un electron e - , sunt transformați în ioni de hidrogen H + încărcați pozitiv, adică protoni (Fig. 7).

Ionii de hidrogen încărcați pozitiv (protonii) difuzează prin membrană către catod, iar fluxul de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina (consumator de energie electrică) (Fig. 8).

Oxigenul furnizat catodului, în prezența unui catalizator, intră într-o reacție chimică cu ionii de hidrogen (protonii) din membrana schimbătoare de protoni și electronii din circuitul electric extern (Fig. 9). Ca rezultat al unei reacții chimice, se formează apă.

Reacția chimică într-o pilă de combustie de alte tipuri (de exemplu, cu un electrolit acid, care este o soluție de acid fosforic H 3 PO 4) este absolut identică cu reacția chimică dintr-o pilă de combustie cu membrană schimbătoare de protoni.

În orice pilă de combustibil, o parte din energia unei reacții chimice este eliberată sub formă de căldură.

Fluxul de electroni într-un circuit extern este un curent continuu care este folosit pentru a lucra. Deschiderea circuitului extern sau oprirea mișcării ionilor de hidrogen oprește reacția chimică.

Cantitatea de energie electrică produsă de o pilă de combustie depinde de tipul de celulă de combustie, dimensiuni geometrice, temperatura, presiunea gazului. O singură celulă de combustie asigură un EMF mai mic de 1,16 V. Este posibilă creșterea dimensiunii pilelor de combustie, dar în practică se folosesc mai multe celule, conectate în baterii (Fig. 10).

Dispozitiv cu pile de combustibil

Să luăm în considerare dispozitivul cu celulă de combustibil pe exemplul modelului PC25 Model C. Schema celulei de combustie este prezentată în fig. unsprezece.

Pila de combustibil „PC25 Model C” constă din trei părți principale: procesorul de combustibil, secțiunea de generare a energiei efective și convertorul de tensiune.

Partea principală a celulei de combustie - secțiunea de generare a energiei - este o stivă compusă din 256 de celule de combustibil individuale. Compoziția electrozilor celulei de combustibil include un catalizator de platină. Prin aceste celule se generează un curent electric continuu de 1.400 de amperi la o tensiune de 155 volți. Dimensiunile bateriei sunt de aproximativ 2,9 m lungime și 0,9 m lățime și înălțime.

Deoarece procesul electrochimic are loc la o temperatură de 177 ° C, este necesară încălzirea bateriei în momentul pornirii și îndepărtarea căldurii din aceasta în timpul funcționării. Pentru a face acest lucru, pila de combustibil include un circuit separat de apă, iar bateria este echipată cu plăci speciale de răcire.

Procesorul de combustibil vă permite să transformați gazul natural în hidrogen, care este necesar pentru o reacție electrochimică. Acest proces se numește reformare. Elementul principal al procesorului de combustibil este reformatorul. În reformator, gazul natural (sau alt combustibil care conține hidrogen) reacționează cu aburul la temperatură înaltă (900 °C) și presiune înaltă în prezența unui catalizator de nichel. Au loc următoarele reacții chimice:

CH4 (metan) + H2O3H2 + CO

(reacție endotermă, cu absorbție de căldură);

CO + H20H2 + CO2

(reacția este exotermă, cu degajare de căldură).

Reacția globală este exprimată prin ecuația:

CH4 (metan) + 2H2O4H2 + CO2

(reacție endotermă, cu absorbție de căldură).

Pentru a asigura temperatura ridicată necesară pentru conversia gazului natural, o parte din combustibilul uzat din stiva de celule de combustibil este trimisă la un arzător care menține reformatorul la temperatura dorită.

Aburul necesar reformării este generat din condensul format în timpul funcționării celulei de combustie. În acest caz, se utilizează căldura îndepărtată din stiva de celule de combustie (Fig. 12).

Stiva de celule de combustibil generează un curent continuu intermitent, care se caracterizează prin tensiune scăzută și curent ridicat. Un convertor de tensiune este utilizat pentru a-l converti la standard industrial AC. În plus, unitatea de convertizor de tensiune include diverse dispozitive de control și circuite de interblocare de siguranță care permit oprirea celulei de combustie în cazul diferitelor defecțiuni.

Într-o astfel de pilă de combustie, aproximativ 40% din energia din combustibil poate fi convertită în energie electrică. Aproximativ aceeași cantitate, aproximativ 40% din energia combustibilului, poate fi convertită în energie termală, care este apoi folosită ca sursă de căldură pentru încălzire, alimentare cu apă caldă și în scopuri similare. Astfel, randamentul total al unei astfel de centrale poate ajunge la 80%.

Un avantaj important al unei astfel de surse de căldură și electricitate este posibilitatea acesteia funcţionare automată. Pentru întreținere, proprietarii unității pe care este instalată pila de combustibil nu trebuie să întrețină personal special instruit - întreținerea periodică poate fi efectuată de către angajații organizației de exploatare.

Tipuri de celule de combustie

În prezent, sunt cunoscute mai multe tipuri de celule de combustie, care diferă prin compoziția electrolitului utilizat. Următoarele patru tipuri sunt cele mai răspândite (Tabelul 2):

1. Pile de combustie cu membrană schimbătoare de protoni (Proton Exchange Membrane Fuel Cells, PEMFC).

2. Pile de combustie pe bază de acid ortofosforic (fosforic) (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC).

3. Pile de combustie pe bază de carbonat topit (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC).

4. Pile de combustie cu oxid solid (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). În prezent, cea mai mare flotă de celule de combustie este construită pe baza tehnologiei PAFC.

Unul dintre caracteristici cheie tipuri diferite celula de combustibil este la temperatura de funcționare. În multe privințe, temperatura este cea care determină domeniul de aplicare al celulelor de combustie. De exemplu, temperaturile ridicate sunt critice pentru laptopuri, astfel încât celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni cu temperaturi scăzute de funcționare sunt dezvoltate pentru acest segment de piață.

Pentru alimentarea autonomă cu energie electrică a clădirilor, sunt necesare pile de combustie de mare capacitate instalată și, în același timp, este posibilă utilizarea energiei termice, prin urmare, celulele de combustibil de alte tipuri pot fi utilizate și în aceste scopuri.

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC)

Aceste celule de combustibil funcționează la temperaturi de funcționare relativ scăzute (60-160°C). Acestea sunt caracterizate de o densitate mare de putere, vă permit să reglați rapid puterea de ieșire și pot fi pornite rapid. Dezavantajul acestui tip de elemente este cerințele ridicate pentru calitatea combustibilului, deoarece combustibilul contaminat poate deteriora membrana. Puterea nominală a celulelor de combustie de acest tip este de 1-100 kW.

Pilele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni au fost dezvoltate inițial de General Electric Corporation în anii 1960 pentru NASA. Acest tip de celulă de combustibil folosește un electrolit polimeric în stare solidă numit Membrană de schimb de protoni (PEM). Protonii se pot deplasa prin membrana schimbătoare de protoni, dar electronii nu pot trece prin aceasta, rezultând o diferență de potențial între catod și anod. Datorită simplității și fiabilității lor, astfel de celule de combustibil au fost folosite ca sursă de energie pe nava spațială cu echipaj Gemini.

Acest tip de pile de combustibil este folosit ca sursă de energie pentru o mare varietate de dispozitive, inclusiv prototipuri și prototipuri, de la telefoane mobile la autobuze și sisteme de alimentare staționare. Temperatura scăzută de funcționare permite ca astfel de celule să fie folosite pentru a alimenta diferite tipuri de complex dispozitive electronice. Mai puțin eficientă este utilizarea lor ca sursă de căldură și alimentare cu energie electrică pentru clădirile publice și industriale, unde sunt necesare cantități mari de energie termică. În același timp, astfel de elemente sunt promițătoare ca sursă autonomă de alimentare cu energie pentru clădiri rezidențiale mici, cum ar fi căsuțele construite în regiunile cu un climat cald.

Pile de combustie cu acid fosforic (PAFC)

Testele pilelor de combustie de acest tip au fost deja efectuate la începutul anilor 1970. Interval de temperatură de funcționare - 150-200 °C. Domeniul principal de aplicare este sursele autonome de căldură și alimentarea cu energie electrică de putere medie (aproximativ 200 kW).

Electrolitul folosit în aceste celule de combustibil este o soluție de acid fosforic. Electrozii sunt fabricați din hârtie acoperită cu carbon, în care este dispersat un catalizator de platină.

Eficiența electrică a pilelor de combustibil PAFC este de 37-42%. Cu toate acestea, deoarece aceste celule de combustibil funcționează la o temperatură suficient de ridicată, este posibil să se utilizeze aburul generat ca rezultat al funcționării. În acest caz eficienta generala poate ajunge la 80%.

Pentru a genera energie, materia primă care conține hidrogen trebuie convertită în hidrogen pur printr-un proces de reformare. De exemplu, dacă benzina este folosită ca combustibil, atunci compușii de sulf trebuie îndepărtați, deoarece sulful poate deteriora catalizatorul de platină.

Pilele de combustibil PAFC au fost primele pile de combustibil comerciale care au fost justificate din punct de vedere economic. Cel mai comun model a fost celula de combustibil PC25 de 200 kW produsă de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.) (Fig. 13). De exemplu, aceste elemente sunt folosite ca sursă de căldură și electricitate într-o secție de poliție din Central Park din New York sau ca sursă suplimentară de energie pentru clădirea Conde Nast și Four Times Square. Cel mai rig mare de acest tip este testat ca o centrală electrică de 11 MW situată în Japonia.

Pilele de combustie pe bază de acid fosforic sunt, de asemenea, folosite ca sursă de energie în vehicule. De exemplu, în 1994, H-Power Corp., Universitatea Georgetown și Departamentul de Energie al SUA au echipat un autobuz cu o centrală electrică de 50 kW.

Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

Pilele de combustie de acest tip funcționează la temperaturi foarte ridicate - 600-700 °C. Aceste temperaturi de funcționare permit combustibilului să fie utilizat direct în celulă însăși, fără a fi nevoie de un reformator separat. Acest proces se numește „reforma internă”. Permite simplificarea semnificativă a designului celulei de combustie.

Pilele de combustie pe bază de carbonat topit necesită un timp semnificativ de pornire și nu permit reglarea rapidă a puterii de ieșire, astfel încât domeniul lor principal de aplicare este sursele staționare mari de căldură și electricitate. Cu toate acestea, se disting prin eficiența ridicată a conversiei combustibilului - 60% eficiență electrică și până la 85% eficiență globală.

În acest tip de pile de combustie, electrolitul constă din carbonat de potasiu și săruri de carbonat de litiu încălzite la aproximativ 650 °C. În aceste condiții, sărurile sunt în stare topită, formând un electrolit. La anod, hidrogenul interacționează cu ionii de CO 3, formând apă, dioxid de carbon și eliberând electroni care sunt trimiși către circuitul extern, iar la catod, oxigenul interacționează cu dioxidul de carbon și electronii din circuitul extern, formând din nou ioni de CO 3.

Probele de laborator de celule de combustie de acest tip au fost create la sfârșitul anilor 1950 de oamenii de știință olandezi G. H. J. Broers și J. A. A. Ketelaar. În anii 1960, inginerul Francis T. Bacon, un descendent al unui faimos scriitor și om de știință englez din secolul al XVII-lea, a lucrat cu aceste elemente, motiv pentru care celulele de combustibil MCFC sunt uneori denumite elemente Bacon. Programele NASA Apollo, Apollo-Soyuz și Scylab au folosit doar astfel de celule de combustibil ca sursă de energie (Fig. 14). În aceiași ani, departamentul militar al SUA a testat mai multe eșantioane de celule de combustibil MCFC fabricate de Texas Instruments, în care au fost folosite ca combustibil benzină de grade armate. La mijlocul anilor 1970, Departamentul de Energie al SUA a început cercetările pentru dezvoltarea unei pile de combustibil staționare cu carbonat topit, potrivită pentru aplicații practice. În anii 1990, au fost puse în funcțiune o serie de unități comerciale cu o putere de până la 250 kW, cum ar fi la US Naval Air Station Miramar din California. În 1996, FuelCell Energy, Inc. a pus în funcțiune o centrală pre-serie de 2 MW în Santa Clara, California.

Pile de combustibil cu oxid de stare solidă (SOFC)

Pilele de combustie cu oxid de stare solidă au un design simplu și funcționează la temperaturi foarte ridicate - 700-1000 °C. Astfel de temperaturi ridicate permit utilizarea combustibilului relativ „murdar”, nerafinat. Aceleași caracteristici ca și în celulele de combustie pe bază de carbonat topit determină o zonă similară de aplicare - surse staționare mari de căldură și electricitate.

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt diferite din punct de vedere structural de celulele de combustibil bazate pe tehnologiile PAFC și MCFC. Anodul, catodul și electrolitul sunt fabricate din ceramică de clase speciale. Cel mai adesea, un amestec de oxid de zirconiu și oxid de calciu este utilizat ca electrolit, dar pot fi utilizați alți oxizi. Electrolitul formează o rețea cristalină acoperită pe ambele părți cu un material electrod poros. Din punct de vedere structural, astfel de elemente sunt realizate sub formă de tuburi sau plăci plate, ceea ce face posibilă utilizarea tehnologiilor utilizate pe scară largă în industria electronică la fabricarea lor. Ca rezultat, celulele de combustie cu oxid de stare solidă pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, făcându-le avantajoase atât pentru generarea de energie electrică, cât și termică.

La temperaturi ridicate de funcționare, la catod se formează ioni de oxigen, care migrează prin rețeaua cristalină către anod, unde interacționează cu ionii de hidrogen, formând apă și eliberând electroni liberi. În acest caz, hidrogenul este eliberat din gazul natural direct în celulă, adică nu este nevoie de un reformator separat.

Bazele teoretice pentru crearea pilelor de combustie cu oxid de stare solidă au fost puse la sfârșitul anilor 1930, când oamenii de știință elvețieni Bauer (Emil Bauer) și Preis (H. Preis) au experimentat cu zirconiu, ytriu, ceriu, lantan și wolfram, folosindu-le. ca electroliți.

Primele prototipuri ale unor astfel de celule de combustibil au fost create la sfârșitul anilor 1950 de o serie de companii americane și olandeze. Majoritatea acestor companii au abandonat curând cercetările ulterioare din cauza dificultăților tehnologice, dar una dintre ele, Westinghouse Electric Corp. (acum „Siemens Westinghouse Power Corporation”), a continuat munca. Compania acceptă în prezent precomenzi pentru un model comercial de celulă de combustibil cu oxid solid cu topologie tubulară, așteptat în acest an (Figura 15). Segmentul de piață al acestor elemente îl reprezintă instalațiile staționare pentru producerea de energie termică și electrică cu o capacitate de 250 kW până la 5 MW.

Pilele de combustibil de tip SOFC au demonstrat o fiabilitate foarte mare. De exemplu, un prototip de pile de combustibil Siemens Westinghouse a înregistrat 16.600 de ore și continuă să funcționeze, făcându-l cea mai lungă durată de viață continuă a celulei de combustibil din lume.

Modul de funcționare la temperatură înaltă și presiune înaltă a celulelor de combustie SOFC permite crearea de centrale hibride, în care emisiile de celule de combustie antrenează turbinele cu gaz utilizate pentru a genera energie electrică. Prima astfel de fabrică hibridă este în funcțiune în Irvine, California. Puterea nominală a acestei centrale este de 220 kW, din care 200 kW de la pila de combustie și 20 kW de la generatorul cu microturbină.

Foarte curând (mai precis, la începutul aventurii sale incitante), personajul principal se va împiedica de buncărul Forerunner, care se află foarte aproape de pământurile tribului Nora. În interiorul acestui buncăr străvechi, armura va fi închisă în spatele unei uși puternice și high-tech, de la distanță arătând nu numai demn, ci și foarte atractiv. Armura se numește „Shield Weaver” și este de fapt cel mai bun echipament din joc. Prin urmare, apar imediat o grămadă de întrebări: „Cum să găsiți și să obțineți armura Shield Weaver?”, „Unde să găsiți combustibil?”, „Cum să deschideți ușile buncărului?” și multe alte întrebări legate de același subiect. Deci, pentru a deschide ușile buncărului și a obține armura râvnită, trebuie să găsiți cinci celule de combustibil, care, la rândul lor, vor fi împrăștiate în întreaga lume a jocului. Mai jos vă voi spune unde și cum să găsiți elemente de combustibil pentru a rezolva puzzle-uri în timpul căutării și în Armeria Antică.

: Ghidul prezentat nu are doar o prezentare detaliată a textului, ci și capturi de ecran sunt atașate fiecărui element de combustibil și există un videoclip la sfârșit. Toate acestea au fost create pentru a vă facilita căutarea, așa că dacă un anumit punct din procedura de trecere a textului nu este clar, atunci vă recomand să vizionați capturile de ecran și videoclipul.

. Primul combustibil este „Inima mamei”

Unde și cum să găsiți prima celulă de combustibil - locația combustibilului.

Așadar, primul element de combustibil (sau, mai simplu, combustibil) Aloy îl va putea găsi cu mult înainte de a intra în lumea deschisă la misiunea „Pântecele mamei”. Concluzia este că, după sarcina „Inițiere” (care, apropo, se aplică și poveștii), personajul principal se va afla într-un loc numit „Inima mamei”, care este un loc sacru al tribului Nora și al sălaşul Matriarhilor.

Imediat ce fata se ridică din pat, treci succesiv prin mai multe camere (camere), unde într-una dintre ele te vei împiedica de o ușă sigilată, care nu poate fi deschisă doar așa. În acest moment, vă recomand cu căldură să vă uitați în jur, pentru că lângă eroină (sau lângă ușă - pentru că este mai convenabil) există un puț de ventilație, în plus, decorat cu lumânări aprinse (în general, aveți nevoie de el aici).

După ce treceți o anumită secțiune a căii prin puțul de ventilație, eroina va fi în spatele unei uși încuiate. Privește pe podea lângă blocul de perete și lumânări cu un scop misterios - în acest loc se află primul element de combustibil.

: Asigurați-vă că rețineți că, dacă nu ridicați primul element de combustibil înainte de a intra în lumea deschisă, atunci veți putea ajunge în această locație doar în etapele ulterioare ale pasajului. Dar ca să fiu mai precis, după finalizarea sarcinii „Inima Norei”, așa că recomand să ridici combustibilul acum.

. Al doilea combustibil - „Ruine”

Unde și cum să găsiți a doua celulă de combustibil - locația combustibilului.

Primul lucru pe care trebuie să-l știți când căutați un al doilea combustibil este că personajul principal se afla deja în această locație când a căzut în ruine în copilărie cu mult timp în urmă (la începutul jocului). Deci, după finalizarea sarcinii „Inițiere”, va trebui să vă amintiți copilăria voastră adâncă și să mai coborâți încă o dată în acest loc pentru a obține al doilea element de combustibil.

Mai jos sunt câteva imagini (capturi de ecran). Intrarea în ruine este marcată în prima poză (cu roșu). În interiorul ruinelor, va trebui să ajungeți la primul nivel - aceasta este zona din dreapta jos, care va fi evidențiată Violet pe hartă. În plus, va fi și o ușă, pe care fata o poate deschide cu sulița.

De îndată ce Aloy trece prin uși, urcă scările de mai sus și întoarce-te la dreapta cu prima ocazie: în tinerețe, Aloy nu putea să urce prin stalactite, dar acum are „jucării” utile care vor face față oricărei sarcini. Deci, scoateți o suliță și spargeți stalactitele cu ea. În curând calea va fi liberă, așa că rămâne să luați elementul de combustibil care se află pe masă și să mergeți spre următorul. Dacă un moment al pasajului nu este clar, atunci capturile de ecran sunt atașate mai jos în ordine.

. Al treilea combustibil - „Limita maestrului”

Unde și cum să găsiți al treilea element de combustibil - locația combustibilului.

E timpul să ne îndreptăm spre nord. În timpul misiunii „Master's Limit”, Aloy va trebui să exploreze și să studieze cu atenție ruinele uriașe ale Forerunners. Deci, în aceste ruine de la al doisprezecelea nivel, următorul, al treilea element de combustibil va fi ascuns.

Prin urmare, va trebui să urcați nu numai la nivelul superior al acestor ruine, ci și să urcați puțin mai sus acolo. Nu pierdeți timp prețios și urcați mai sus de-a lungul părții supraviețuitoare a clădirii. Urcă până te trezești pe o platformă mică deschisă tuturor vânturilor. Atunci totul este simplu, pentru că cel de-al treilea element de combustibil va fi în partea de sus: fără puzzle-uri, fără ghicitori și secrete. Așa că ia combustibil, coboară și mergi mai departe.

. Al patrulea combustibil - „Comoara morții”

Unde și cum să găsiți al patrulea element de combustibil - locația combustibilului.

Vestea bună este că această pilă de combustibil se află și în partea de nord a hărții Horizon: Zero Dawn, dar puțin mai aproape de pământurile tribului Nora. Personajul principal va cădea din nou în această parte a hărții în timpul trecerii următoarei misiuni de poveste. Dar înainte de a ajunge la penultima celulă de combustibil, Aloy va trebui să restabilească alimentarea cu energie a ușii sigilate, care se află la al treilea nivel al locației. Și pentru asta va trebui să rezolvi un puzzle mic și nu prea dificil. Puzzle-ul este legat de blocuri și regulatoare (există două blocuri de patru regulatoare la nivelul de sub uși). Așadar, pentru început, vă recomand să vă ocupați de blocul din stânga al regulatoarelor: primul regulator ar trebui să fie ridicat (priviți) în sus, al doilea - la dreapta, al treilea - la stânga, al patrulea - în jos.

După aceea, mergeți la blocul din partea dreaptă. Nu atingeți primele două butoane, dar al treilea și al patrulea buton vor trebui să fie în jos. Prin urmare, urcați un nivel - iată ultimul bloc de reglementări. Ordinea corectă ar arăta astfel: 1 - sus, 2 - jos, 3 - stânga, 4 - dreapta.

Odată făcute corect, comenzile se vor schimba de la alb la turcoaz. Astfel, alimentarea cu energie va fi restabilită. Prin urmare, ridică-te înapoi la uși și deschide-o. În spatele ușilor, eroina va fi „întâmpinată” de penultimul element de combustibil, astfel încât să puteți alege următorul, ultimul combustibil.

. Al cincilea combustibil - „GAYA Prime”

Unde și cum să găsiți al cincilea element de combustibil - locația combustibilului.

În sfârșit, ultima pilă de combustibil. Și din nou îl puteți obține numai în timpul trecerii poveștii. De data aceasta personajul principal va trebui să meargă în ruinele numite „GAYA Prime”. În acest loc, trebuie să acordați o atenție deosebită atunci când vă aflați aproape de al treilea nivel. Concluzia este că, la un moment dat, în fața fetei va apărea un abis atractiv, în care se va putea coborî cu o frânghie, deși nu ar trebui să mergi acolo.

Înainte de abis, ar trebui să te întorci la stânga și să explorezi mai întâi peștera ascunsă de ochi: poți intra în ea dacă cobori cu grijă pe coasta muntelui. Intră înăuntru și continuă înainte până la sfârșit. În ultima cameră din camera din partea dreaptă va fi un suport, pe care se află în sfârșit ultima celulă de combustibil. Împreună cu el, acum poți să te întorci în siguranță înapoi la buncăr și să deschizi toate ecluzele pentru a obține echipament șic.

. Cum să intri în Arsenalul Antic?

Ei bine, acum rămâne să ne întoarcem la Arsenalul Antic pentru a primi recompensa mult așteptată. Dacă nu vă amintiți coridoarele arsenalului, atunci uitați-vă la capturile de ecran de mai jos, care vă vor ajuta să vă amintiți întregul drum.

Când ajungeți la locul potrivit și porniți în jos, introduceți elementele de combustibil în celulele goale. Ca urmare, regulatoarele se vor aprinde, așa că există un nou puzzle de rezolvat pentru a deschide ușile. Deci, primul buton ar trebui să fie îndreptat în sus, al doilea - la dreapta, al treilea - în jos, al patrulea - la stânga, al cincilea - în sus. De îndată ce faci totul bine, ușile se vor deschide, dar acest lucru este departe de sfârșit.

Următorul pas este să deblochezi încuietoarea (sau monturile) armurii - acesta este un alt puzzle simplu legat de regulator în care trebuie să folosești celulele de combustibil rămase. Primul buton trebuie rotit - la dreapta, al doilea - la stânga, al treilea - în sus, al patrulea - la dreapta, al cincilea - din nou la stânga.

În cele din urmă, după toate aceste chinuri lungi, va fi posibil să luați armura. „Shield Weaver” este un echipament foarte bun care face personajul principal aproape invulnerabil pentru o vreme. Cel mai important lucru este să monitorizați în mod constant culoarea armurii: dacă armura pâlpâie albă, atunci totul este în ordine. Dacă este roșu, scutul nu mai este.

O celulă de combustie este un dispozitiv care generează eficient căldură și curent continuu printr-o reacție electrochimică și utilizează combustibil bogat în hidrogen. Prin principiul de funcționare, este similar cu bateria. Din punct de vedere structural, pila de combustibil este reprezentată de un electrolit. De ce este remarcabil? Spre deosebire de baterii, celulele de combustibil cu hidrogen nu stochează energie electrică, nu au nevoie de electricitate pentru a se reîncărca și nu se descarcă. Celulele continuă să producă electricitate atâta timp cât au o sursă de aer și combustibil.

Particularități

Diferența dintre celulele de combustie și alte generatoare de energie este că acestea nu ard combustibil în timpul funcționării. Datorită acestei caracteristici, nu au nevoie de rotoare. presiune ridicata, nu emit zgomot puternic și vibrații. Electricitatea din celulele de combustibil este generată printr-o reacție electrochimică silentioasă. Energia chimică a combustibilului din astfel de dispozitive este transformată direct în apă, căldură și electricitate.

Pilele de combustie sunt foarte eficiente și nu produc un numar mare gaze cu efect de sera. Ieșirea celulelor în timpul funcționării este o cantitate mică de apă sub formă de abur și dioxid de carbon, care nu este eliberată dacă este folosit hidrogen pur ca combustibil.

Istoria apariției

În anii 1950 și 1960, nevoia NASA de surse de energie pentru misiuni spațiale pe termen lung a provocat una dintre cele mai solicitante sarcini pentru celulele de combustie care existau la acea vreme. Celulele alcaline folosesc oxigen și hidrogen drept combustibil, care în cursul unei reacții electrochimice sunt transformate în produse secundare utile în timpul zbor în spațiu- curent, apa si caldura.

Pilele de combustibil au fost descoperite pentru prima dată la începutul secolului al XIX-lea - în 1838. În același timp, au apărut primele informații despre eficacitatea lor.

Lucrările la celulele de combustie folosind electroliți alcalini au început la sfârșitul anilor 1930. Celulele cu electrozi placate cu nichel de înaltă presiune nu au fost inventate până în 1939. În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, pentru submarinele britanice au fost dezvoltate pile de combustie, constând din celule alcaline cu un diametru de aproximativ 25 de centimetri.

Interesul pentru ele a crescut în anii 1950-80, caracterizați printr-o penurie de combustibil petrolier. Țările lumii au început să abordeze problemele poluării aerului și mediu inconjuratorîntr-un efort de a dezvolta moduri ecologice de generare a energiei electrice. Tehnologia de producere a celulelor de combustie este în prezent în curs de dezvoltare activă.

Principiul de funcționare

Căldura și electricitatea sunt generate de celulele de combustie ca rezultat al unei reacții electrochimice care are loc folosind un catod, un anod și un electrolit.

Catodul și anodul sunt separate de un electrolit conducător de protoni. După furnizarea de oxigen la catod și hidrogen la anod, începe o reacție chimică, care are ca rezultat căldură, curent și apă.

Se disociază pe catalizatorul anod, ceea ce duce la pierderea de electroni de către acesta. Ionii de hidrogen intră în catod prin electrolit, în timp ce electronii trec prin exterior reteaua electricași creați un curent continuu care este utilizat pentru alimentarea echipamentului. Molecula de oxigen de pe catalizatorul catod se combină cu un electron și un proton care intră, formând în cele din urmă apă, care este singurul produs de reacție.

Tipuri

Alegerea unui anumit tip de pile de combustie depinde de domeniul de aplicare a acestuia. Toate pilele de combustibil sunt împărțite în două categorii principale - temperatură ridicată și temperatură scăzută. Acestea din urmă folosesc hidrogen pur drept combustibil. Astfel de dispozitive, de regulă, necesită procesarea combustibilului primar în hidrogen pur. Procesul se desfășoară folosind echipamente speciale.

Pilele de combustibil la temperatură ridicată nu au nevoie de acest lucru, deoarece transformă combustibilul la temperaturi ridicate, ceea ce elimină necesitatea creării unei infrastructuri cu hidrogen.

Principiul de funcționare al pilelor de combustie cu hidrogen se bazează pe conversia energiei chimice în energie electrică fără procese de ardere ineficiente și pe transformarea energiei termice în energie mecanică.

Concepte generale

Pilele de combustibil cu hidrogen sunt dispozitive electrochimice care generează electricitate prin arderea „rece” a combustibilului extrem de eficientă. Există mai multe tipuri de astfel de dispozitive. Cea mai promițătoare tehnologie este considerată a fi pilele de combustie hidrogen-aer echipate cu o membrană de schimb de protoni PEMFC.

Membrana polimerică conducătoare de protoni este proiectată pentru a separa doi electrozi - catod și anod. Fiecare dintre ele este reprezentată de o matrice de carbon acoperită cu un catalizator. se disociază pe catalizatorul anod, donând electroni. Cationii sunt conduși către catod prin membrană, totuși electronii sunt transferați către circuitul extern deoarece membrana nu este proiectată să transfere electroni.

Molecula de oxigen de pe catalizatorul catod se combină cu un electron din circuitul electric și un proton care intră, formând în cele din urmă apă, care este singurul produs de reacție.

Pilele de combustie cu hidrogen sunt folosite pentru fabricarea blocurilor de electrozi cu membrană, care acționează ca principalele elemente generatoare ale sistemului energetic.

Avantajele pilelor de combustibil cu hidrogen

Dintre acestea trebuie evidențiate:

• A crescut căldura specifică.
• Gamă largă de temperatură de funcționare.
• Fără vibrații, zgomot și punct de căldură.
• Fiabilitatea pornirii la rece.
• Lipsa autodescărcării, care asigură o durată lungă de stocare a energiei.
• Autonomie nelimitată datorită capacității de a regla intensitatea energiei prin schimbarea numărului de cartușe de combustibil.
• Asigurând aproape orice intensitate energetică prin modificarea capacității de stocare a hidrogenului.
• Durată lungă de viață.
• Funcționare fără zgomot și ecologic.
• Nivel ridicat de intensitate energetică.
• Toleranță la impuritățile străine din hidrogen.

Zona de aplicare

Datorită eficienței ridicate, pilele de combustie cu hidrogen sunt utilizate în diferite domenii:

• Încărcătoare portabile.
• Sisteme de alimentare pentru UAV.
• Surse de alimentare neîntreruptibile.
• Alte dispozitive și echipamente.

Perspective pentru energia hidrogenului

Utilizarea pe scară largă a celulelor de combustie cu peroxid de hidrogen va fi posibilă numai după crearea mod eficient obţinerea hidrogenului. Sunt necesare idei noi pentru a aduce tehnologia în utilizare activă, cu mari speranțe puse pe conceptul de celule de biocombustibil și nanotehnologie. Unele companii au lansat relativ recent catalizatori eficienți bazați pe diferite metale, în același timp, au apărut informații despre crearea pilelor de combustie fără membrane, ceea ce a făcut posibilă reducerea semnificativă a costurilor de producție și simplificarea proiectării unor astfel de dispozitive. Avantajele și caracteristicile pilelor de combustibil cu hidrogen nu depășesc principalul lor dezavantaj - cost ridicat, mai ales în comparație cu dispozitivele cu hidrocarburi. Crearea unei centrale cu hidrogen necesită minim 500 de mii de dolari.

Cum se construiește o pilă de combustibil cu hidrogen?

O celulă de combustibil de putere redusă poate fi creată independent în condițiile unui laborator obișnuit de acasă sau de școală. Materialele folosite sunt o masca de gaz veche, bucati de plexiglas, soluție de apă Alcool etilicși alcaline.

Corpul pilei de combustie cu hidrogen este fabricat din plexiglas cu o grosime de cel puțin cinci milimetri. Pereții despărțitori dintre compartimente pot fi mai subțiri - aproximativ 3 milimetri. Plexiglasul este lipit împreună cu un adeziv special din cloroform sau dicloroetan și așchii de plexiglas. Toate lucrările se efectuează numai când capota este în funcțiune.

În peretele exterior al carcasei este găurită o gaură cu un diametru de 5-6 centimetri, în care se introduc un dop de cauciuc și un tub de sticlă de scurgere. Cărbune activ dintr-o mască de gaz este turnată în al doilea și al patrulea compartiment al carcasei celulei de combustibil - va fi folosit ca electrod.

Combustibilul va fi circulat în prima cameră, în timp ce a cincea este umplută cu aer, din care va fi furnizat oxigen. Electrolitul, turnat între electrozi, este impregnat cu o soluție de parafină și benzină pentru a preveni intrarea în camera de aer. Plăcile de cupru sunt așezate pe un strat de cărbune cu fire lipite de ele, prin care curentul va fi deviat.

Pila de combustibil cu hidrogen asamblată este încărcată cu vodcă diluată cu apă într-un raport de 1:1. Potasiul caustic este adăugat cu grijă la amestecul rezultat: 70 de grame de potasiu se dizolvă în 200 de grame de apă.

Înainte de testarea unei celule de combustie pe hidrogen, combustibilul este turnat în prima cameră, iar electrolitul în a treia cameră. Voltmetrul conectat la electrozi ar trebui să indice între 0,7 și 0,9 volți. Pentru a asigura funcționarea continuă a elementului, combustibilul uzat trebuie îndepărtat, iar combustibilul nou trebuie turnat prin tubul de cauciuc. Prin strângerea tubului, viteza de livrare a combustibilului este controlată. Astfel de celule de combustibil cu hidrogen, asamblate acasă, au o putere mică.

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

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

În acest articol, vom analiza pe scurt fiecare dintre cele existente tehnologii de combustibil astăzi, precum și vorbim despre proiectarea și funcționarea celulelor de combustie, comparați-le cu alte forme de producție de energie. Vom discuta, de asemenea, unele dintre obstacolele cu care se confruntă cercetătorii în a face pilele de combustie practice și accesibile pentru consumatori.

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

Un alt dispozitiv electrochimic cu care suntem cu toții foarte familiarizați este bateria. Bateria are in interior toate elementele chimice necesare si transforma aceste substante in electricitate. Aceasta înseamnă că în cele din urmă bateria „se stinge” și fie o aruncați, fie o reîncărcați.

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

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

Invenția pilelor de combustibil

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

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

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

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

Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)

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

Pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC)

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

Pilă de combustibil alcalină (AFC)

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

Celulă de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

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

Pilă de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

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

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

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

Celulă de combustie cu membrană schimbătoare de polimeri

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

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

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

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

4. Catalizator- aceasta este material special, care favorizează reacția oxigenului și hidrogenului. De obicei, este fabricat din nanoparticule de platină depuse foarte subțire pe hârtie de carbon sau țesătură. Catalizatorul are o structură de suprafață astfel încât suprafata maxima suprafața de platină ar putea fi expusă la hidrogen sau oxigen.

Figura prezintă hidrogenul gazos (H2) care intră sub presiune în celula de combustie din partea anodului. Când o moleculă de H2 intră în contact cu platina de pe catalizator, aceasta se împarte în doi ioni H+ și doi electroni. Electronii trec prin anod, unde sunt utilizați în circuitele externe (făcând lucrări utile, cum ar fi rotirea unui motor) și se întorc în partea catodică a celulei de combustibil.

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

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

Eficiența celulei de combustibil

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

De ce să folosiți pile de combustibil?

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

Experții se așteaptă ca prețurile petrolului să continue să crească în următoarele câteva decenii, pe măsură ce sursele mai ieftine se usucă. Companiile petroliere trebuie să dezvolte zăcăminte de petrol în condiții din ce în ce mai dificile, ceea ce va conduce la creșterea prețului petrolului.

Temerile se extind cu mult dincolo de securitatea economică. O mare parte din veniturile din vânzarea petrolului sunt cheltuite pentru sprijinirea terorismului internațional, radical partide politice, situație instabilă în regiunile producătoare de petrol.

Utilizarea petrolului și a altor combustibili fosili pentru energie produce poluare. Aceasta cel mai bun mod potrivit pentru toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.

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

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

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

Similar cu existența diferitelor tipuri de motoare cu ardere internă, există diferite tipuri de pile de combustie - alegerea tipului adecvat de pile de combustie depinde de aplicarea acestuia.

Pilele de combustie sunt împărțite în temperatură ridicată și temperatură scăzută. Pile de combustibil la 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. Pile de combustie la temperaturi ridicate nu au nevoie de această procedură suplimentară, deoarece pot „conversia intern” combustibilul la temperaturi ridicate, ceea ce înseamnă că nu este nevoie să investiți în infrastructura cu hidrogen.

Pile de combustie pe carbonat topit (MCFC)

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

Funcționarea RCFC este diferită de celelalte celule de combustibil. Aceste celule folosesc un electrolit dintr-un amestec de săruri carbonatice topite. 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 a ionilor în electrolit, pilele de combustie cu electrolit de carbonat topit funcționează la temperaturi ridicate (650°C). Eficiența variază între 60-80%.

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

Reacția la anod: CO 3 2- + H 2 => H 2 O + CO 2 + 2e -
Reacția la catod: CO 2 + 1 / 2 O 2 + 2e - => CO 3 2-
Reacția generală a elementului: H 2 (g) + 1/2 O 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, unul dintre avantaje este posibilitatea de utilizare materiale standard structuri precum tabla oţel inoxidabilși catalizator de nichel pe electrozi. Căldura reziduală poate fi utilizată pentru a genera abur de înaltă presiune în diverse scopuri industriale și comerciale.

Temperaturile ridicate de reacție în electrolit au și avantajele lor. Utilizarea temperaturilor ridicate durează mult timp pentru a ajunge la condiții optime de funcționare, iar sistemul reacționează mai lent la modificările consumului de energie. Aceste caracteristici permit utilizarea sistemelor de celule de combustie cu electrolit de carbonat topit în condiții de putere constantă. Temperaturile ridicate previn deteriorarea celulelor de combustie prin monoxid de carbon, „otrăvire” etc.

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

Pile de combustie cu acid fosforic (PFC)

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

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

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

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

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

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

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

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

Cel mai mult sunt considerate celule de combustie cu membrană de schimb de protoni cel mai bun tip celule de combustie pentru a genera puterea vehiculului care poate înlocui motoarele cu combustie internă pe benzină și diesel. Aceste celule de combustibil au fost folosite pentru prima dată de NASA pentru programul Gemini. Astăzi sunt dezvoltate și demonstrate instalații pe MOPFC cu o putere de la 1 W la 2 kW.

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

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

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

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

Un alt avantaj este că electrolitul este mai degrabă o substanță solidă decât o substanță lichidă. Menținerea gazelor la catod și anod este mai ușoară cu un electrolit solid și, prin urmare, astfel de celule de combustibil sunt mai ieftine de produs. În comparație cu alți electroliți, atunci când se utilizează un electrolit solid, nu există dificultăți precum orientarea, există mai putine probleme datorită apariției coroziunii, ceea ce duce la o durabilitate mai mare a elementului și a componentelor acestuia.

Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Pilele de combustibil cu oxid solid sunt celulele de combustibil cu cea mai ridicată temperatură de funcționare. Temperatura de lucru poate varia de la 600°C la 1000°C, ceea ce permite utilizarea diferitelor tipuri de combustibil fără special pretratament. Pentru a face față acestor temperaturi ridicate, electrolitul folosit este un oxid de metal solid subțire pe bază de ceramică, adesea un aliaj de ytriu și zirconiu, care este un conductor al ionilor de oxigen (O 2 -). Tehnologia de utilizare a celulelor de combustie cu oxid solid s-a dezvoltat de la sfârșitul anilor 1950. și are două configurații: plană și tubulară.

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

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

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

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

Pile de combustie cu oxidare directă a metanolului (DOMTE)

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

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

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

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

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

Pile de combustibil alcaline (AFC)

Pilele de combustibil alcaline (ALFC) sunt una dintre cele mai studiate tehnologii și au fost folosite încă de la mijlocul anilor 1960. de NASA în programele Apollo și Naveta Spațială. La bordul acestor nave spațiale, celulele de combustibil produc energie electrică și apă potabilă. Pilele de combustie alcaline sunt printre 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, adică o soluție apoasă de hidroxid de potasiu, conținută într-o matrice poroasă, stabilizată. Concentrația de hidroxid de potasiu poate varia în funcție de temperatura de funcționare a celulei de combustie, care variază de la 65°C la 220°C. Purtătorul de sarcină într-un SFC este un ion hidroxid (OH-) care se deplasează de la catod la anod unde reacţionează cu hidrogenul pentru a produce apă şi electroni. Apa produsă la anod se deplasează înapoi la catod, generând din nou ioni de hidroxid acolo. Ca rezultat al acestei serii de reacții care au loc în celula de combustie, se produce energie electrică și, ca produs secundar, căldură:

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

Avantajul SFC este că aceste celule de combustie sunt cele mai ieftine de fabricat, 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, SCFC funcționează la o temperatură relativ scăzută și se numără printre cele mai eficiente celule de combustibil - astfel de caracteristici pot contribui, respectiv, 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 SFC este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice, acestea trebuie să funcționeze cu hidrogen și oxigen pur. Mai mult, molecule precum CO, H2O și CH4, care sunt sigure pentru alte celule de combustie și chiar combustibil pentru unele dintre ele, sunt dăunătoare pentru SFC.

Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PETE)

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

Pile de combustibil acid solid (SCFC)

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