Tehnologii pentru fabricarea pilelor de combustie electrochimice la temperaturi joase. Celulă de combustibil separată
Pilele de combustie pentru conducerea mașinilor sunt convertoare electrochimice ale energiei conținute de combustibil direct în energie electrică. Într-o pilă de combustie cu oxihidrogen, hidrogenul suferă o reacție de „combustie la rece” cu oxigenul, care produce apă și generează electricitate. Pilele de combustie nu contin piese in miscare, functioneaza fara frecare mecanica, cu niveluri reduse de zgomot si fara emisii poluante.
Conţinut
Principiul de funcționare a pilelor de combustibil
O celulă de combustie este formată din două elemente (anod și catod) separate de un electrolit ( vezi fig. „Principiul de funcționare al celulei de combustie tip PEM”). Electrolitul este impermeabil la electroni. Electrozii sunt conectați între ei printr-un circuit electric extern.
Vehiculele folosesc în principal celule de combustie cu o membrană polimerică ca electrolit, numită și schimb de protoni ( REM) (vezi fig. „Structura celulei de combustie tip PEM”). Principiul de funcționare al celulelor de combustie este descris mai jos folosind exemplul celulelor de acest tip.
Într-o pilă de combustibil PEM, hidrogenul este direcționat către anod unde este oxidat. Aceasta produce ioni H+ (protoni) și electroni (vezi Fig. 1, a).
Anod: 2 H 2 -» 4 H + + 4 e - .
Electrolitul poate fi considerat o membrană polimerică conducătoare de protoni. Electrolitul este permeabil la protoni, dar nu și la electroni. Protonii H+ produși la anod trec prin membrană și ajung la catod. Pentru ca protonii să treacă prin membrană, aceasta trebuie să fie suficient umezită. Oxigenul este trimis la catod, unde este redus ( vezi fig. b, „Principiul de funcționare al unei celule de combustibil PEM”). Recuperarea are loc datorită trecerii electronilor de la anod la catod printr-un circuit electric extern.
Catod: O 2 + 4 e - -> 2 O 2- .
În următoarea etapă a reacției, ionii Aproximativ 2- reacționează cu protonii pentru a forma apă.
Catod: 4H + + 2O2- -> 2H2O .
Ca rezultat al reacției generale care are loc în celula de combustie, apa se formează din hidrogen și oxigen ( vezi fig. c, „Principiul de funcționare al unei celule de combustibil PEM”). Spre deosebire de reacția oxihidrogen, în care hidrogenul și oxigenul reacționează exploziv unul cu celălalt, aici reacția are loc sub formă de „combustie la rece”, deoarece etapele de reacție au loc separat la anod și catod.
Reacție generală: 2H2 + O2 -> 2H2O .
Reacțiile descrise mai sus au loc pe acoperirile catalitice ale electrozilor. Cel mai frecvent utilizat catalizator este platina.
Tensiunea teoretică a unui element
Tensiunea teoretică a unei pile de combustibil hidrogen-oxigen la 25°C este de 1,23 V. Această valoare este derivată din potențialele standard ale electrodului. Cu toate acestea, în practică, în timpul funcționării elementului, această tensiune nu este atinsă; este de 0,5-1,0 V. Pierderea de tensiune poate fi explicată prin rezistența internă a elementului sau prin limitările impuse de difuzia gazoasă ( vezi fig. „Caracteristicile electrice ale celulei de combustie”). Practic, tensiunea depinde de temperatură, de rapoartele stoichiometrice dintre hidrogen și oxigen și cantitatea de electricitate produsă, presiunea parțială a hidrogenului și oxigenului și densitatea curentului.
Vehiculele folosesc baterii cu celule de combustibil cu o capacitate de la 5 la 100 kW. Pentru a obține tensiunile înalte necesare pentru aplicarea tehnică a celulelor, celulele sunt conectate în serie în baterii (vezi Fig. 4 „Structura unei stive de celule de combustie”). Bateriile pot include de la 40 la 450 de celule, adică tensiunea lor maximă de funcționare este între 40 și 450 V.
Valorile ridicate ale curentului electric sunt atinse datorită suprafeței corespunzătoare a membranei. Curentul de ieșire al bateriilor de celule de combustibil pentru automobile ajunge la 500 A.
Principiul de funcționare al sistemului de celule de combustibil
Utilizarea unei stive de celule de combustibil necesită subsisteme de alimentare cu hidrogen și oxigen ( vezi Fig. 5 „Acționare electrică cu sistem de celule de combustie”). În principiu, aceste sisteme pot fi implementate într-o varietate de moduri. Opțiunea descrisă aici este utilizată în multe cazuri.
Sistem de alimentare cu hidrogen pentru pile de combustibil
Alimentarea cu hidrogen este stocată într-un cilindru de înaltă presiune (700 bar). Cu ajutorul unui reductor, presiunea hidrogenului se reduce la aproximativ 10 bari, iar hidrogenul intră în injectorul de gaz.
Injectorul este o supapă solenoidală prin care presiunea hidrogenului este setată pe partea anodului. Spre deosebire de injectoare de combustibil motoarele cu ardere internă, injectorul de hidrogen trebuie să asigure un debit masic constant. Un debit tipic de hidrogen la o putere de 100 kW este de 2,1 g/s. Presiunea maximă a hidrogenului este de 2,5 bar.
Funcționarea stivei de celule de combustie necesită un flux constant de hidrogen pe partea anodului (o măsură de omogenizare). În acest scop, recircularea hidrogenului este organizată în sistem.
Gazele străine care distrug anodul de pe partea anodului sunt expulzate continuu prin supapa de purjare a solenoidului. Acest lucru previne acumularea de gaze străine care părăsesc cilindrul sau gazele de difuzie (azot, vapori de apă) din partea catodului. Supapa este instalată pe priza bateriei, pe partea anodului. Pentru a scurge excesul de apă pe calea anodului, se folosește o supapă care este deschisă la curent electric zero.
Hidrogenul, care scapă inevitabil în timpul scurgerii apei, este fie puternic diluat cu aer, fie convertit catalitic în apă.
Furnizarea de oxigen la celulele de combustibil
Oxigenul necesar pentru reacția electrochimică este preluat din aerul ambiant. Debitul masic necesar de oxigen, care, în funcție de puterea necesară a bateriei, este de până la 100 g/s, este furnizat de un compresor. Oxigenul este comprimat de către compresor la maximum 2,5 bari și alimentat pe partea catodică a celulei de combustie. Presiunea celulei de combustibil este controlată de o supapă de control dinamică a presiunii instalată pe traseul gazelor de eșapament în aval de celula de combustibil.
Pentru a se asigura că membrana polimerică este suficient umezită, aerul furnizat celulei este umidificat fie printr-o membrană suplimentară, fie prin injectarea de apă condensată.
Echilibrul termic al celulelor de combustibil
Eficienta electrica celulele de combustibil este de aproximativ 50%. Cu alte cuvinte, procesul de conversie a energiei chimice generează aproximativ aceeași cantitate de energie termică ca și cantitatea de energie electrică. Această căldură trebuie disipată. Temperatura de funcționare a celulelor de combustie PEM este de aproximativ 85°C, ceea ce este mai mică decât temperatura motoarelor cu ardere internă. În ciuda eficienței mai mari, radiatorul și ventilatorul radiatorului, atunci când sunt utilizate pe un vehicul cu celule de combustibil, trebuie mărite.
Deoarece lichidul de răcire folosit este în contact direct cu celulele de combustie, acesta trebuie să fie neconductor din punct de vedere electric (deionizat). Circulația lichidului de răcire este asigurată de o pompă electrică. Debitul de lichid de răcire este de până la 12.000 l/h. Supapa de control al temperaturii distribuie debitul de lichid de răcire între radiator și bypass.
Sistemul folosește un lichid de răcire care este un amestec de apă deionizată și etilenglicol. Lichidul de răcire trebuie deionizat pe vehicul. În acest scop, este trecut printr-un schimbător de ioni umplut cu o rășină specială și purificat în procesul de îndepărtare a ionilor. Conductivitatea lichidului de răcire trebuie să fie mai mică de 5 µS/cm.
Eficiența sistemului cu celule de combustibil
Pe lângă asigurarea faptului că pila de combustie este gata să furnizeze energie rapid în cele mai bune condiții de funcționare, este important să se asigure o eficiență ridicată. sisteme.
Pe orez. „Eficiența unei stive de pile de combustie și a unui sistem de celule de combustie” se oferă compararea eficienței. stive de celule de combustibil cu eficiență întregul sistem. O parte din energie electrică este consumată de componente auxiliare, cum ar fi compresorul, ceea ce reduce eficiența totală. sisteme. Cu toate acestea, sistemele cu celule de combustibil sunt mai eficiente decât motoarele cu ardere internă, mai ales atunci când funcționează în intervalul de sarcină parțială.
Siguranța celulei de combustibil a vehiculului
Pentru a asigura siguranța, pe vehicul sunt instalați mai mulți senzori de concentrație de hidrogen. Hidrogenul este un gaz incolor și inodor care, la o concentrație de aproximativ 4% în volum, transformă aerul într-un amestec combustibil. Senzorii pot detecta concentrația de hidrogen începând de la 1%.
Principiul de funcționare al mașinii cu pile de combustibil
Vehiculele cu pile de combustie sunt vehicule electrice în care puterea electrică pentru alimentarea propulsiei electrice este generată de un sistem de celule de combustibil.
Din mai multe motive, este recomandabil să includeți o baterie de tracțiune în sistem:
- aceasta permite stocarea energiei în timpul frânării regenerative;
- aceasta îmbunătățește caracteristicile dinamice ale unității;
- prin modificarea distribuției sarcinii între sistemul de celule de combustibil și bateria de tracțiune, eficiența poate fi crescută și mai mult. conduce.
Deoarece bateria de tracțiune este o sursă suplimentară de energie, astfel de vehicule sunt cunoscute sub denumirea de vehicule hibride cu celule de combustibil. Raportul dintre puterea bateriei de tracțiune și puterea totală (gradul de hibridizare) variază în funcție de aplicarea sistemului.
În mod obișnuit, sistemele cu celule de combustibil sunt utilizate ca sursă principală de energie pentru conducere. Astfel de vehicule sunt cunoscute ca vehicule hibride cu pile de combustibil ( FCHV). De obicei, sistemele cu celule de combustibil au o putere nominală de 60-100 kW. Bateriile de tracțiune au o putere nominală de până la 30 kW cu o capacitate de 1-2 kWh.
Alternativ, bateria de tracțiune poate avea o putere nominală și o capacitate semnificativ mai mare și poate fi reîncărcată de la un sistem de celule de combustibil, după cum este necesar. În acest caz, este suficient să existe o pile de combustie cu o putere nominală de 10 până la 30 kW. Vehiculele cu această configurație de sursă de energie sunt cunoscute ca vehicule cu celule de combustibil cu rază extinsă ( FC-REX).
Distribuția energiei electrice între sistemul de celule de combustie, bateria de tracțiune și acționarea electrică este realizată de unul sau mai multe convertoare DC/DC. Sunt prezentate diverse configurații ale unor astfel de convertoare, a căror alegere depinde de aplicație orez. ". Configurații ale convertoarelor de tensiune în sistemele de antrenare cu celule de combustibil». În funcție de configurație, tensiunea de alimentare a convertizorului este identică cu tensiunea uneia dintre cele două surse de alimentare ( vezi fig. Ași b), sau izolat de tensiunea bateriei de tracțiune și a stivei de celule de combustie ( vezi fig. cu).
Sistem de antrenare electric
Sistemul de acționare electrică include o unitate electronică de putere (convertor) și un motor electric. Un motor electric este o mașină electrică sincronă sau asincronă, care este alimentată de un convertor astfel încât să se obțină cuplul necesar. Deoarece unitatea electrică are o putere nominală mare (aproximativ 100 kW), tensiunea de funcționare poate fi de până la 450 V. În industria auto se folosesc termenii „înaltă tensiune” și „sistem electric de înaltă tensiune”. Sistemul electric de înaltă tensiune este izolat de masa vehiculului.
În timpul frânării mașinii, motorul electric intră în modul generator și generează un curent electric. Electricitatea este stocată în bateria de tracțiune.
Cu ajutorul unui convertor, tensiunea DC mare este transformată într-o tensiune AC multifazică, a cărei amplitudine este reglată în funcție de cuplul necesar. De regulă, se folosesc convertoare cu trepte de ieșire pe tranzistoare bipolare cu poartă izolată ( IGBT).
Baterie de tracțiune
În funcție de gradul de hibridizare, se folosesc baterii de mare capacitate sau de mare energie, cu o tensiune de 150 până la 400 V. Bateriile de mare capacitate folosesc baterii nichel-hidrură metalică sau baterii litiu-ion, în timp ce bateriile de mare energie numai litiu-ion baterii. Sistemul de monitorizare a bateriei de tracțiune monitorizează starea de încărcare și capacitatea bateriei.
Convertor DC/DC baterie de tracțiune
Convertorul de tensiune DC al bateriei de tracțiune reglează curentul de încărcare al bateriei de tracțiune și curentul de ieșire (până la 300 A ) . Unele configurații de sistem permit renunțarea la acest convertor.
Convertor DC/DC pentru pila de combustibil
Un alt convertor DC/DC este convertorul de tensiune al celulei de combustibil, care reglează curentul de ieșire până la 500 A. Unele configurații de sistem nu necesită acest convertor.
Convertor de tensiune DC 12 V
La fel ca mașinile convenționale, vehiculele cu celule de combustibil au un sistem electric de 12 V. 12 V este convertit de la tensiune înaltă. În acest scop, între cele două sisteme este conectat un convertor de tensiune DC. Din motive de siguranță, acest convertor este izolat electric. Funcționează unidirecțional sau bidirecțional și are o putere nominală de până la 3 kW.
Perspective ale sistemului de acționare cu celule de combustibil
Sistemele de acționare cu celule de combustibil și-au dovedit deja valoarea în utilizarea de zi cu zi. Cu toate acestea, pentru utilizarea comercială în sistemele de propulsie auto, celulele de combustibil trebuie îmbunătățite în ceea ce privește economia și producția de masă.
Simplificarea sistemului are ca rezultat costuri mai mici și o fiabilitate mai mare. Una dintre direcții este dezvoltarea de noi membrane polimerice pentru celulele de combustie care nu necesită umidificarea gazelor formate în timpul reacției și în același timp permit creșterea temperaturii de funcționare.
În plus, este necesar să se reducă semnificativ costul tuturor componentelor. În acest sens, există un potențial mare în reducerea cantității de platină din stratul catalitic al celulei de combustie.
În articolul următor voi vorbi despre
.
Nimeni nu va fi surprins nici de panourile solare, nici de morile de vânt, care generează electricitate în toate regiunile lumii. Dar ieșirea de la aceste dispozitive nu este constantă și este necesar să se instaleze surse de alimentare de rezervă sau să se conecteze la rețea pentru a primi energie electrică în perioada în care instalațiile de energie regenerabilă nu generează energie electrică. Cu toate acestea, există plante dezvoltate în secolul al XIX-lea care folosesc combustibili „alternativi” pentru a genera energie electrică, 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 încă din 1838-1839 de William Grove (Grow, Grove), când studia electroliza apei.
Referință: Electroliza apei este procesul de descompunere a apei sub acțiunea unui curent electric în molecule de hidrogen și oxigen.
Deconectând 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 devenit un eveniment semnificativ în industria energetică. Mai târziu a creat acumulatorul 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 a numit această construcție "baterie umedă". Apoi a creat o baterie folosind doi electrozi de platină. Un capăt al fiecărui electrod era în acid sulfuric, în timp ce celelalte capete erau 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.
„Bateria lui Grow”
(sursa: Societatea Regală a Muzeului Național de Istorie Naturală)
Termenul de „pilă de combustie” (în engleză „Fuel Cell”) a apărut abia în 1889 de către L. Mond și
Ch. Langer, care a încercat să creeze un dispozitiv pentru generarea de energie electrică din aer și gaz de cărbune.
CUM FUNCTIONEAZA?
Pila de combustibil este un dispozitiv relativ simplu. Are doi electrozi: un anod (electrod negativ) și un catod (electrod pozitiv). Pe electrozi are loc o reacție chimică. Pentru a accelera, suprafața electrozilor este acoperită cu un catalizator. Pilele de combustibil sunt echipate cu încă un element - o membrană. 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 obținuți ca urmare a divizării combustibilului, să treacă dintr-o cameră în alta pe un electrod acoperit cu un catalizator (electronii trec apoi prin circuitul extern). În a doua cameră, protonii se recombină 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 obișnuit de ardere (oxidare).
În timpul arderii normale în oxigen, combustibilul organic este oxidat, iar energia chimică a combustibilului este transformată în energie termică. Să vedem ce se întâmplă când hidrogenul este oxidat de oxigen într-un mediu electrolit 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, intră în electrodul opus, în care intră 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 arderea convențională, dar pila de combustie generează energie electrică și ceva căldură.
TIPURI DE PILE DE COMBUSTIBIL
FC este clasificat în funcție de tipul de electrolit utilizat pentru reacție:
Trebuie remarcat faptul că cărbunele, monoxidul de carbon, alcoolii, hidrazina și alte substanțe organice pot fi, de asemenea, utilizați ca combustibil în celulele de combustie, iar aerul, peroxidul de hidrogen, clorul, bromul, acidul azotic etc. pot fi utilizați ca agenți oxidanți.
Eficiența celulei de combustie
O caracteristică a celulelor de combustibil este fără limită de eficiență ca un motor termic.
Ajutor: eficientaCiclul Carnot este randamentul maxim posibil dintre toate motoarele termice cu aceleași temperaturi minime și maxime.
Prin urmare, eficiența celulelor de combustibil în teorie poate fi mai mare de 100%. Mulți au zâmbit și au gândit: „Mașina cu mișcare perpetuă a fost inventată”. Nu, merită să te întorci 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 din proces pot absorbi căldura din mediu.
Referință: Reacțiile endoterme sunt reacții chimice însoțite de absorbția de căldură. Pentru reacțiile endoterme, modificarea entalpiei și a energiei interne au valori pozitive (Δ H >0, Δ U >0), astfel, produșii de reacție conțin mai multă energie decât componentele originale.
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.
Referință: 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. Azi randamentul celulei de combustibil ajunge la 80%.
Referinţă:În anii patruzeci, inginerul englez T. Bacon a proiectat și construit o baterie pentru celule de combustie cu o putere totală de 6 kW și o eficiență de 80%, funcționând pe hidrogen și oxigen pur, dar raportul putere-greutate al bateriei s-a transformat. a fost prea mic - astfel de celule erau nepotrivite pentru utilizare practică și prea scumpe (sursa: http://www.powerinfo.ru/).
PROBLEME PILELOR DE COMBUSTIBIL
Aproape toate celulele de combustie folosesc hidrogen ca combustibil, așa că întrebarea logică este: „De unde îl pot obține?”
Se pare că o pilă de combustie a fost descoperită în urma electrolizei, astfel încât să poți folosi hidrogenul eliberat în urma electrolizei. Dar să aruncăm o privire mai atentă la acest proces.
Conform legii lui Faraday: cantitatea de substanță care este oxidată la anod sau redusă la catod este proporțională cu cantitatea de electricitate care a trecut 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 decât unitatea. 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 genera.
Desigur, poate fi folosit și hidrogenul derivat 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 este obținut din gaze naturale. Dar există o problemă cu stocarea și transportul hidrogenului. Hidrogenul are o densitate scăzută ( un litru de hidrogen cântărește 0,0846 grame), prin urmare, pentru a-l transporta pe distante mari, trebuie comprimat. Și acestea sunt costuri suplimentare cu energie și numerar. 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, aici este deja necesar un dispozitiv suplimentar special - un convertor de combustibil, la o temperatură ridicată (pentru metanol va fi undeva în jur de 240 ° C) care transformă alcoolii într-un amestec de H 2 și CO 2 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 într-o pilă de combustibil, suprafața anodului este de obicei 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, în producția industrială de celule de combustie, rezervele explorate 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. Așa că oamenii de știință chinezi au înlocuit platina cu oxid de calciu (sursa: www.cheburek.net).
UTILIZAREA PILELOR DE COMBUSTIBIL
Pentru prima dată, o pilă de combustie în tehnologia auto a fost testată în 1959. Tractorul Alice-Chambers a folosit 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 a făcut posibilă atingerea unui nou nivel, iar în 1965. Pilele 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 în cadrul programului Shuttle. În URSS, celulele de combustie au fost dezvoltate la NPO Kvant, tot pentru utilizare în spațiu (sursa: http://www.powerinfo.ru/).
Deoarece produsul final al arderii hidrogenului într-o pile de combustibil este apa, acestea sunt considerate cele mai curate din punct de vedere al impactului asupra mediului. Prin urmare, celulele de combustibil au început să-și câștige popularitatea pe fundalul unui interes general pentru ecologie.
Deja în prezent, producători de automobile precum Honda, Ford, Nissan și Mercedes-Benz au creat vehicule alimentate cu celule de combustibil cu hidrogen.
Mercedes-Benz - Ener-G-Force alimentat cu hidrogen
Când folosiți mașini pe hidrogen, problema stocării hidrogenului este rezolvată. Construcția stațiilor de alimentare cu hidrogen va face posibilă realimentarea oriunde. Mai mult, umplerea unei mașini cu hidrogen este mai rapidă decât încărcarea unei mașini electrice la o benzinărie. Dar la implementarea unor astfel de proiecte s-au confruntat cu o problemă precum cea a vehiculelor electrice. Oamenii sunt gata să se „transfere” într-o mașină cu hidrogen dacă există o infrastructură pentru ei. Și construcția de benzinării va începe dacă există un număr suficient de consumatori. Prin urmare, am ajuns din nou la dilema ouălor și găinii.
Pilele de combustibil sunt utilizate pe scară largă în telefoanele mobile și laptop-uri. Au dispărut vremurile în care telefonul era încărcat o dată pe săptămână. Acum telefonul se incarca, aproape in fiecare zi, iar laptopul functioneaza fara retea 3-4 ore. Prin urmare, producătorii de tehnologie mobilă au decis să sintetizeze o pilă de combustibil cu telefoane și laptopuri pentru încărcare și lucru. De exemplu, Toshiba în 2003 a demonstrat un prototip finit al unei celule de combustibil cu metanol. Oferă o putere de aproximativ 100mW. O reumplere a 2 cuburi de metanol concentrat (99,5%) este suficientă pentru 20 de ore de funcționare a playerului MP3. Din nou, același „Toshiba” a demonstrat un element de alimentare pentru laptop de 275x75x40mm, care permite computerului să funcționeze timp de 5 ore cu o singură încărcare.
Dar unii producători au mers mai departe. PowerTrekk a lansat un încărcător cu același nume. PowerTrekk este primul încărcător de apă din lume. Este foarte usor de folosit. PowerTrekk are nevoie de apă pentru a fi adăugată pentru a furniza energie instantanee prin cablul USB. Această pilă de combustie conține pulbere de siliciu și siliciu de sodiu (NaSi) atunci când este amestecată cu apă, această combinație generează hidrogen. Hidrogenul se amestecă cu aerul în pila de combustie însăși și transformă hidrogenul în electricitate prin schimbul de protoni din membrană, fără ventilatoare sau pompe. Puteți cumpăra un astfel de încărcător portabil la 149 € (
În viața modernă, sursele de energie chimică sunt peste tot în jurul nostru: bateriile din lanterne, bateriile din telefoanele mobile, pile de combustibil cu hidrogen, care sunt deja folosite în unele mașini. Dezvoltarea rapidă a tehnologiilor electrochimice poate duce la faptul că, în viitorul apropiat, în locul mașinilor pe benzină, vom fi înconjurați doar de vehicule electrice, telefoanele nu se vor mai descărca rapid, iar fiecare casă va avea propria ei pilă de combustie electrică. generator. Unul dintre programele comune ale Universității Federale Ural cu Institutul de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, în parteneriat cu care publicăm acest articol, este dedicat îmbunătățirii eficienței stocării electrochimice și a generatoarelor de energie. .
Astăzi, există multe tipuri diferite de baterii, printre care este din ce în ce mai dificil de navigat. Este departe de a fi clar pentru toată lumea cum diferă o baterie de un supercondensator și de ce o pilă de combustibil cu hidrogen poate fi utilizată fără teama de a dăuna mediului. În acest articol, vom vorbi despre modul în care reacțiile chimice sunt folosite pentru a genera electricitate, care este diferența dintre principalele tipuri de surse chimice moderne de curent și ce perspective se deschid pentru energia electrochimică.
Chimia ca sursă de energie electrică
În primul rând, să vedem de ce energia chimică poate fi folosită pentru a genera electricitate. Chestia este că în reacțiile redox, electronii sunt transferați între doi ioni diferiți. Dacă cele două jumătăți ale reacției chimice sunt separate în spațiu, astfel încât oxidarea și reducerea să aibă loc separat una de cealaltă, atunci este posibil să ne asigurăm că un electron care se desprinde de un ion nu cade imediat pe al doilea, ci mai întâi. merge pe un drum prestabilit pentru ea. Această reacție poate fi folosită ca sursă de curent electric.
Acest concept a fost implementat pentru prima dată în secolul al XVIII-lea de către fiziologul italian Luigi Galvani. Acțiunea unei celule galvanice tradiționale se bazează pe reacțiile de reducere și oxidare a metalelor cu activitate diferită. De exemplu, o celulă clasică este o celulă galvanică în care zincul este oxidat și cuprul este redus. Reacțiile de reducere și de oxidare au loc, respectiv, la catod și anod. Și pentru ca ionii de cupru și zinc să nu cadă pe „teritoriu străin”, unde pot reacționa direct unul cu celălalt, între anod și catod este de obicei plasată o membrană specială. Ca rezultat, între electrozi apare o diferență de potențial. Dacă conectați electrozii, de exemplu, cu un bec, atunci curentul începe să curgă în circuitul electric rezultat și becul se aprinde.
Schema unei celule galvanice
Wikimedia Commons
Pe lângă materialele anodului și catodului, o componentă importantă a sursei de curent chimic este electrolitul, în interiorul căruia se mișcă ionii și pe marginea căruia au loc toate reacțiile electrochimice cu electrozii. În acest caz, electrolitul nu trebuie să fie lichid - poate fi atât un polimer, cât și un material ceramic.
Principalul dezavantaj al unei celule galvanice este timpul limitat de funcționare. De îndată ce reacția ajunge la sfârșit (adică întregul anod care se dizolvă treptat este complet consumat), un astfel de element pur și simplu nu va mai funcționa.
Baterii alcaline pentru degete
Reîncărcabil
Primul pas către extinderea capacităților surselor de curent chimic a fost crearea unei baterii - o sursă de curent care poate fi reîncărcată și, prin urmare, reutilizată. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au propus pur și simplu să folosească reacții chimice reversibile. După descărcarea completă a bateriei pentru prima dată, cu ajutorul unei surse externe de curent, reacția care a avut loc în ea poate fi începută în sens invers. Aceasta va restabili starea inițială, astfel încât bateria să poată fi utilizată din nou după reîncărcare.
Baterie auto cu plumb-acid
Până în prezent, au fost create multe tipuri diferite de baterii, care diferă prin tipul de reacție chimică care are loc în ele. Cele mai comune tipuri de baterii sunt bateriile cu plumb-acid (sau pur și simplu cu plumb), care se bazează pe reacția de oxidare-reducere a plumbului. Astfel de dispozitive au o durată de viață destul de lungă, iar consumul lor de energie este de până la 60 de wați-oră pe kilogram. Și mai populare în ultima vreme sunt bateriile litiu-ion bazate pe reacția redox cu litiu. Intensitatea energetică a bateriilor moderne litiu-ion depășește acum 250 de wați-oră pe kilogram.
Baterie Li-ion pentru telefonul mobil
Principalele probleme ale bateriilor litiu-ion sunt eficiența lor scăzută la temperaturi scăzute, îmbătrânirea rapidă și explozivitatea crescută. Și datorită faptului că litiu-metal reacționează foarte activ cu apa pentru a forma hidrogen gazos și oxigenul este eliberat atunci când bateria arde, arderea spontană a unei baterii litiu-ion este foarte dificil de utilizat cu metodele tradiționale de stingere a incendiilor. Pentru a îmbunătăți siguranța unei astfel de baterii și pentru a accelera timpul de încărcare a acesteia, oamenii de știință propun un material catod care împiedică formarea structurilor dendritice de litiu și adaugă la electrolit substanțe care formează structuri explozive și componente care se aprind în stadiile incipiente. .
Electrolit solid
Ca o altă modalitate mai puțin evidentă de a crește eficiența și siguranța bateriilor, chimiștii și-au propus să nu se limiteze la electroliții lichizi din sursele de curent chimic, ci să creeze o sursă de curent în stare solidă. În astfel de dispozitive, nu există componente lichide, dar există o structură stratificată a unui anod solid, un catod solid și un electrolit solid între ele. Electrolitul îndeplinește în același timp funcția membranei. Purtătorii de sarcină dintr-un electrolit solid pot fi diverși ioni, în funcție de compoziția acestuia și de reacțiile care au loc pe anod și catod. Dar ei sunt întotdeauna ioni suficient de mici care se pot mișca relativ liber prin cristal, de exemplu, protoni H +, ionii Li + litiu sau ionii de oxigen O 2-.
Pile de combustibil cu hidrogen
Capacitatea de reîncărcare și măsurile speciale de securitate fac din baterii o sursă de curent mult mai promițătoare decât bateriile convenționale, dar totuși, fiecare baterie conține o cantitate limitată de reactivi în interior și, prin urmare, o sursă limitată de energie și de fiecare dată bateria trebuie reîncărcată. pentru a-și relua performanța.
Pentru a face o baterie „infinită”, este posibil să folosiți ca sursă de energie nu acele substanțe care se află în interiorul celulei, ci combustibilul special pompat prin ea. Cel mai bine, o substanță cât se poate de simplă în compoziție, prietenoasă cu mediul și disponibilă din abundență pe Pământ este cea mai potrivită ca atare combustibil.
Cea mai potrivită substanță de acest tip este hidrogenul gazos. Oxidarea sa cu oxigenul aerului pentru a forma apă (conform reacției 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) este o reacție redox simplă, iar transportul de electroni între ioni poate fi folosit și ca sursă de curent. Reacția care are loc în acest caz este un fel de reacție inversă la reacția de electroliză a apei (în care, sub acțiunea unui curent electric, apa se descompune în oxigen și hidrogen), și pentru prima dată o astfel de schemă a fost propusă înapoi în mijlocul secolului al XIX-lea.
Dar, în ciuda faptului că circuitul pare destul de simplu, crearea unui dispozitiv eficient bazat pe acest principiu nu este deloc o sarcină banală. Pentru a face acest lucru, este necesar să se separe fluxurile de oxigen și hidrogen din spațiu, să se asigure transportul ionilor necesari prin electrolit și să se reducă posibilele pierderi de energie în toate etapele de funcționare.
Schema de funcționare a unei pile de combustibil cu hidrogen
Schema unei celule de combustibil cu hidrogen care funcționează este foarte asemănătoare cu schema unei surse de curent chimic, dar conține canale suplimentare pentru alimentarea cu combustibil și oxidant și pentru îndepărtarea produselor de reacție și a gazelor furnizate în exces. Electrozii dintr-un astfel de element sunt catalizatori conductivi poroși. Combustibil gazos (hidrogen) este furnizat anodului și un agent oxidant (oxigen din aer) este furnizat catodului, iar la limita fiecărui electrozi cu electrolitul are loc propria sa jumătate de reacție (oxidarea hidrogen și, respectiv, reducerea oxigenului). În acest caz, în funcție de tipul de celulă de combustie și de tipul de electrolit, formarea apei în sine poate avea loc fie în spațiul anodic, fie în spațiul catodic.
Pilă de combustibil cu hidrogen Toyota
Joseph Brent / flickr
Dacă electrolitul este un polimer conducător de protoni sau o membrană ceramică, o soluție acidă sau alcalină, atunci purtătorul de sarcină din electrolit este ioni de hidrogen. În acest caz, hidrogenul molecular este oxidat la anod în ioni de hidrogen, care trec prin electrolit și reacţionează cu oxigenul acolo. Dacă ionul de oxigen O 2– este purtătorul de sarcină, ca în cazul unui electrolit de oxid solid, atunci oxigenul este redus la un ion la catod, acest ion trece prin electrolit și oxidează hidrogenul la anod pentru a forma apă și liber. electroni.
Pe lângă reacția de oxidare a hidrogenului pentru celulele de combustie, s-a propus utilizarea altor tipuri de reacții. De exemplu, în loc de hidrogen, combustibilul reducător ar putea fi metanolul, care este oxidat de oxigen în dioxid de carbon și apă.
Eficiența celulei de combustibil
În ciuda tuturor avantajelor pilelor de combustie cu hidrogen (cum ar fi respectarea mediului, eficiența practic nelimitată, dimensiunea compactă și intensitatea energetică ridicată), acestea au și o serie de dezavantaje. Acestea includ, în primul rând, îmbătrânirea treptată a componentelor și dificultățile în stocarea hidrogenului. Oamenii de știință lucrează astăzi la modul de eliminare a acestor deficiențe.
În prezent se propune îmbunătățirea eficienței pilelor de combustie prin modificarea compoziției electrolitului, a proprietăților electrodului catalizatorului și a geometriei sistemului (care asigură alimentarea cu gaze combustibile la punctul dorit și reduce efectele secundare). Pentru a rezolva problema stocării hidrogenului gazos, se folosesc materiale care conțin platină, pentru saturarea cărora, de exemplu, membrane de grafen.
Ca rezultat, este posibil să se obțină o creștere a stabilității celulei de combustibil și a duratei de viață a componentelor sale individuale. Acum, coeficientul de conversie a energiei chimice în energie electrică în astfel de celule ajunge la 80 la sută, iar în anumite condiții poate fi și mai mare.
Perspectivele uriașe pentru energia hidrogenului sunt asociate cu posibilitatea combinării pilelor de combustie în baterii întregi, transformându-le în generatoare electrice cu putere mare. Chiar și acum, generatoarele electrice care funcționează pe pile de combustibil cu hidrogen au o putere de până la câteva sute de kilowați și sunt folosite ca surse de energie pentru vehicule.
Stocare electrochimică alternativă
Pe lângă sursele clasice de curent electrochimic, sisteme mai neobișnuite sunt folosite și ca dispozitive de stocare a energiei. Unul dintre aceste sisteme este un supercondensator (sau ionistor) - un dispozitiv în care separarea și acumularea sarcinii are loc datorită formării unui strat dublu în apropierea unei suprafețe încărcate. La interfața electrod-electrolit într-un astfel de dispozitiv, ionii cu semne diferite se aliniază în două straturi, așa-numitul „strat electric dublu”, formând un fel de condensator foarte subțire. Capacitatea unui astfel de condensator, adică cantitatea de încărcare acumulată, va fi determinată de suprafața specifică a materialului electrodului; prin urmare, este avantajos să luați materiale poroase cu suprafața specifică maximă ca material pentru supercondensatoare.
Ionistorii sunt campioni printre sursele de curent chimic de încărcare-descărcare în ceea ce privește rata de încărcare, ceea ce este un avantaj incontestabil al acestui tip de dispozitiv. Din păcate, aceștia sunt și deținători de recorduri în ceea ce privește viteza de descărcare. Densitatea de energie a ionistorilor este de opt ori mai mică în comparație cu bateriile cu plumb și de 25 de ori mai mică decât cele cu litiu-ion. Ionistorii clasici cu „dublu strat” nu folosesc o reacție electrochimică la miezul lor, iar termenul „condensator” este aplicat cu cea mai mare precizie. Cu toate acestea, în acele versiuni de ionistori, care se bazează pe o reacție electrochimică și acumularea de sarcină se extinde în adâncimea electrodului, este posibil să se obțină timpi de descărcare mai mari, menținând în același timp o rată de încărcare rapidă. Eforturile dezvoltatorilor de supercondensatoare vizează crearea de dispozitive hibride cu baterii care combină avantajele supercondensatorilor, în primul rând o rată mare de încărcare, și avantajele bateriilor - intensitate mare de energie și timp lung de descărcare. Imaginați-vă în viitorul apropiat o baterie cu ionistor care se va încărca în câteva minute și va alimenta un laptop sau un smartphone pentru o zi sau mai mult!
În ciuda faptului că acum densitatea de energie a supercondensatorilor este încă de câteva ori mai mică decât densitatea de energie a bateriilor, aceștia sunt utilizați în electronice de larg consum și pentru motoarele diferitelor vehicule, inclusiv cele mai multe.
* * *
Astfel, astăzi există un număr mare de dispozitive electrochimice, fiecare dintre ele promițătoare pentru aplicațiile sale specifice. Pentru a îmbunătăți eficiența acestor dispozitive, oamenii de știință trebuie să rezolve o serie de probleme, atât fundamentale, cât și tehnologice. Cele mai multe dintre aceste sarcini în cadrul unuia dintre proiectele inovatoare sunt tratate la Universitatea Federală Ural, așa că l-am întrebat pe Maxim Ananiev, director al Institutului de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, profesor al Departamentului de Tehnologie de Producție Electrochimică al Institutului de Tehnologie Chimică al Universității Federale Ural, pentru a vorbi despre planurile și perspectivele imediate pentru dezvoltarea pilelor de combustibil moderne.
N+1: Există o alternativă la cele mai populare baterii Li-Ion în viitorul apropiat?
Maxim Ananiev: Eforturile moderne ale dezvoltatorilor de baterii vizează înlocuirea tipului de purtător de încărcare din electrolit de la litiu la sodiu, potasiu și aluminiu. Ca urmare a înlocuirii litiului, va fi posibilă reducerea costului bateriei, deși caracteristicile de greutate și dimensiune vor crește proporțional. Cu alte cuvinte, pentru aceleași caracteristici electrice, o baterie cu ioni de sodiu va fi mai mare și mai grea decât o baterie cu ioni de litiu.
În plus, una dintre domeniile de dezvoltare promițătoare pentru îmbunătățirea bateriilor este crearea de surse de energie chimică hibridă bazate pe combinarea bateriilor cu ioni metalici cu un electrod de aer, ca în pilele de combustibil. În general, direcția creării sistemelor hibride, așa cum s-a arătat deja în exemplul supercondensatorilor, se pare că ne va permite să vedem pe piață surse de energie chimică cu caracteristici ridicate de consumator în viitorul apropiat.
Universitatea Federală Ural, împreună cu parteneri academici și industriali din Rusia și din lume, implementează în prezent șase megaproiecte care se concentrează pe domenii de revoluție ale cercetării științifice. Unul dintre astfel de proiecte este „Tehnologii de perspectivă ale energiei electrochimice de la proiectarea chimică a materialelor noi la dispozitive electrochimice de nouă generație pentru conservarea și conversia energiei”.
Un grup de oameni de știință de la Școala de Științe Naturale și Matematică UrFU al Unității Academice Strategice (SAU), care include Maxim Ananiev, este implicat în proiectarea și dezvoltarea de noi materiale și tehnologii, inclusiv pile de combustie, celule electrolitice, baterii metalice cu grafen, electrochimice. sisteme de stocare a energiei și supercondensatoare.
Cercetarea și activitatea științifică se desfășoară în colaborare constantă cu Institutul de Electrochimie de Înaltă Temperatură al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe și cu sprijinul partenerilor.
Ce celule de combustibil sunt în curs de dezvoltare și au cel mai mare potențial?
Unul dintre cele mai promițătoare tipuri de celule de combustibil sunt celulele cu protoni-ceramice. Acestea au avantaje față de celulele de combustibil polimerice cu membrană schimbătoare de protoni și celulele cu oxid solid, deoarece pot funcționa cu o alimentare directă cu combustibil cu hidrocarburi. Acest lucru simplifică semnificativ proiectarea unei centrale electrice bazată pe celule de combustie proton-ceramice și sistemul de control și, prin urmare, crește fiabilitatea funcționării. Adevărat, acest tip de pile de combustie este istoric mai puțin dezvoltat în acest moment, dar cercetarea științifică modernă ne permite să sperăm la un potențial ridicat al acestei tehnologii în viitor.
Ce probleme legate de celulele de combustibil sunt tratate acum la Universitatea Federală Ural?
Acum, oamenii de știință de la UrFU, împreună cu Institutul de Electrochimie la Temperatură Înaltă (IHTE) al Filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, lucrează la crearea de dispozitive electrochimice extrem de eficiente și generatoare de energie autonome pentru aplicații în energia distribuită. Crearea centralelor electrice pentru energie distribuită presupune inițial dezvoltarea unor sisteme hibride bazate pe un generator de energie electrică și un dispozitiv de stocare, care sunt baterii. Totodata, pila de combustie functioneaza constant, asigurand sarcina in orele de varf, iar in mod inactiv incarca bateria, care ea insasi poate actiona ca rezerva atat in cazul consumului mare de energie cat si in caz de situatii de urgenta.
Chimiștii de la Universitatea Federală Ural și IHTE au obținut cel mai mare succes în dezvoltarea pilelor de combustibil cu oxid solid și protoni-ceramice. Din 2016, în Urali, împreună cu Corporația de Stat Rosatom, a fost creată prima producție rusă de centrale electrice pe bază de celule de combustie cu oxid solid. Dezvoltarea oamenilor de știință din Ural a trecut deja testele „de teren” la stația de protecție catodică a gazoductului de la locul experimental al Uraltransgaz LLC. Centrala electrică cu o putere nominală de 1,5 kilowați a funcționat mai mult de 10 mii de ore și a demonstrat un potențial ridicat pentru utilizarea unor astfel de dispozitive.
În cadrul laboratorului comun al Universității Federale Ural și al IHTE, sunt dezvoltate dispozitive electrochimice bazate pe o membrană ceramică conducătoare de protoni. Acest lucru va face posibilă în viitorul apropiat reducerea temperaturilor de funcționare a pilelor de combustie cu oxid solid de la 900 la 500 de grade Celsius și renunțarea la reformarea preliminară a combustibilului cu hidrocarburi, creând astfel generatoare electrochimice rentabile, capabile să funcționeze în condițiile unui a dezvoltat infrastructura de alimentare cu gaze în Rusia.
Alexandru Dubov
Misiunea Ancient Armory este una dintre cele mai interesante și pline de satisfacții misiuni secundare din Horizon Zero Dawn. Ca recompensă pentru finalizarea acestuia, vei primi costumul Shield Weaver. În opinia noastră, aceasta este cea mai bună armură din joc. Ea îl protejează pe Aloy cu un câmp de forță care absoarbe toate daunele primite până când încărcarea se epuizează. Veți primi această căutare când veți găsi prima celulă de combustie sau buncărul de armură antic în sine. Trebuie să spun că este mult mai ușor să o obții decât să o faci.
Unde găsiți toate pilele de combustibil în Horizon Zero Dawn?
Există un total de 5 elemente de combustibil în joc pe care le vei întâlni în timpul misiunilor de poveste. Unele dintre ele sunt ușor de ratat, dar nu vă faceți griji pentru asta. Poți oricând să te întorci după ei mai târziu. Dacă mori, va trebui să mergi din nou după celula de combustibil. Nu se salvează în inventarul tău instantaneu, trebuie să ajungi la punctul de control. Tine cont de asta. Toate elementele sunt marcate cu o pictogramă verde strălucitor, așa că este puțin probabil să le vedeți când vă aflați în apropiere. Primele două elemente sunt folosite pentru a deschide ușa. Sunt necesare încă trei pentru a debloca dispozitivul de armură în sine.
Prima celulă de combustibil
Este situat în locația Marii Mame și este disponibil în timpul parcurgerii misiunii „Pântecele Muntelui”. Este foarte important să nu-l ratați în timpul acestei misiuni, deoarece după părăsirea zonei, poarta cu acces în această locație va fi blocată și se va deschide data viitoare abia spre finalul jocului, după finalizarea „Inimii vizuinii”. „misiune.
Această pilă de combustibil este ușor de găsit dacă știi unde să cauți. Prin urmare, primul lucru de făcut este să ajungeți la marcajul Aloy afișat în captura de ecran de mai jos. Direct în fața ta va fi o ușă cu un întrerupător. Îl deschidem și mergem înainte. Deschidem și ușa alăturată și ne aflăm într-o cameră mare. Aici trebuie să facem la dreapta și să dăm peste o ușă cu încuietoare pe care nu o putem deschide.
Cu toate acestea, dacă te uiți în jur, vei observa o nișă mare în stânga cu lumânări înăuntru. Urcă-te în el și mergi înainte de-a lungul minei până când dai de o celulă de combustibil.
A doua celulă de combustibil
Acest element poate fi găsit în ruinele pe care Aloy s-a cățărat în copilărie. În copilărie, nu va fi posibil să o ridicați, așa că va trebui să vă întoarceți mai târziu. Ajungeți la marcajul verde și priviți în jur. Intrarea în ruine este o gaură în pământ. Coboară cu grijă.
Lăsați să treacă prin ruine este destul de simplu, așa că este puțin probabil să vă pierdeți. De fapt, trebuie să ajungeți la marcajul afișat în captura de ecran de mai jos. Acolo vei vedea o cameră în fața ta, a cărei intrare este blocată de formațiuni stâncoase ascuțite. Deschide-le cu sulița și vei găsi al doilea element de combustibil.
A treia celulă de combustibil
Pentru a găsi următoarea pilă de combustibil în Horizon Zero Dawn, va trebui să joci povestea. Avem nevoie de misiunea Master's Limit. Nu uitați să reveniți la acest ghid când ajungeți la el. În timpul acestei misiuni, va trebui să urcați într-o clădire foarte înaltă. La un moment dat, jocul vă va spune ceva de genul: „Găsiți biroul lui Faro pentru a obține mai multe informații despre Dr. Sobek”.
În acest moment, trebuie să te întorci și să găsești un zid în spatele tău, de-a lungul căruia poți urca. Mergeți până la capăt și celula de combustibil vă va aștepta la sol chiar în vârful turnului (etajul 12).
A patra celulă de combustibil
Acest element poate fi găsit în timpul misiunii „Comoara morții” în catacombe.
Mai întâi, ajungeți la marcajul de la al treilea nivel, afișat în captura de ecran de mai jos. Va fi o ușă încuiată în fața ta. Pentru a-l debloca, trebuie să mergi la stânga și să sari în jos. Acolo vei găsi trei puzzle-uri cu blocare prin răsucire. Lângă fiecare se află un dulap în care se ascunde soluția problemei. Doar scanează-l. Două puzzle-uri sunt situate la un nivel sub ușă, altul este la același nivel. Când le rezolvați pe toate trei, ușa de deasupra se va deschide și veți primi celula de combustibil.
A cincea celulă de combustibil
Ultima pilă de combustibil din Horizon Zero Dawn poate fi găsită în timpul misiunii Fallen Mountain în GAIA Prime.
Ajungeți la locația de la al treilea nivel marcată în captura de ecran de mai jos. Va fi un loc în fața ta din care trebuie să cobori frânghia. În schimb, întoarceți-vă la stânga și coborâți cu atenție drumul pe coasta muntelui. Acolo vei vedea intrarea în peșteră. La final, ultimul element te va aștepta.
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 trece în revistă pe scurt fiecare dintre tehnologiile de combustibil existente astăzi, vom vorbi despre proiectarea și funcționarea pilelor de combustibil și le vom compara cu alte forme de producere a energiei. Vom discuta, de asemenea, unele dintre obstacolele cu care se confruntă cercetătorii în a face pilele de combustie practice și accesibile pentru consumatori.
Pilele de combustibil sunt dispozitive de conversie a energiei electrochimice. Pila de combustibil transformă substanțele chimice, hidrogenul și oxigenul, în apă, în procesul generând energie electrică.
Un alt dispozitiv electrochimic cu care suntem cu toții foarte familiarizați este bateria. Bateria are 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 substanțele chimice intră în celulă. 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 s-ar putea obține energie electrică și apă. El a creat o celulă de combustibil primitivă și a numit-o baterie galvanică pe gaz. După ce a experimentat cu noua sa invenție, Grove și-a dovedit ipoteza. Cincizeci de ani mai târziu, oamenii de știință Ludwig Mond și Charles Langer au inventat termenul celule de combustibil atunci când se încearcă construirea unui model practic pentru generarea de energie.
Pila de combustibil va concura cu multe alte dispozitive de conversie a energiei, inclusiv turbinele cu gaz din centralele urbane, motoarele cu ardere internă în mașini și bateriile de toate tipurile. Motoarele cu ardere internă, precum turbinele cu gaz, ard diverși combustibili și folosesc presiunea creată de expansiunea gazelor pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile transformă energia chimică în energie electrică atunci când este necesar. Pilele de combustie trebuie să îndeplinească aceste sarcini mai eficient.
Celula de combustie furnizează tensiune DC (curent continuu) care poate fi folosită pentru a alimenta motoare electrice, iluminat și alte aparate electrice.
Există mai multe tipuri diferite de celule de combustibil, fiecare folosind procese chimice diferite. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de acestea Temperatura de Operareși tipelectrolit, pe care le folosesc. Unele tipuri de celule de combustie sunt potrivite pentru utilizarea în centralele electrice staționare. Altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru alimentarea mașinilor. Principalele tipuri de celule de combustibil includ:
Celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)
PEMFC este considerat cel mai probabil candidat pentru aplicații de transport. PEMFC are atât putere mare, cât și temperatură de funcționare relativ scăzută (în intervalul de la 60 la 80 de grade Celsius). Temperatura scăzută de funcționare înseamnă că celulele de combustibil se pot încălzi rapid pentru a începe să genereze electricitate.
Celulă 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. Este un material tratat special care conduce numai ionii încărcați pozitiv și blochează electronii. În PEMFC, membrana trebuie să fie hidratată pentru a funcționa corect și a rămâne stabilă.
4. Catalizator este un material special care favorizează reacția oxigenului și hidrogenului. 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 suprafața maximă a platinei poate 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 sunt returnați pe 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+ prin membrană, unde se combină cu un atom de oxigen și doi electroni din circuitul extern pentru a forma o moleculă de apă (H2O).
Această reacție într-o singură pilă de combustibil produce doar aproximativ 0,7 volți. Pentru a ridica tensiunea la un nivel rezonabil, multe celule de combustibil individuale trebuie combinate pentru a forma o stivă de celule de combustibil. Plăcile bipolare sunt folosite pentru a conecta o celulă de combustibil la alta și sunt supuse oxidării cu potențial în scădere. Marea problemă a plăcilor bipolare este stabilitatea lor. Plăcile 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 este produsă puterea 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 cu 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 atingerea unui astfel de potențial într-un mod practic și accesibil poate fi dificilă.
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, a partidelor politice radicale și a situației instabile din regiunile producătoare de petrol.
Utilizarea petrolului și a altor combustibili fosili pentru energie produce poluare. Cel mai bine este ca toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.
Pilele de combustie sunt o alternativă atractivă la dependența de petrol. Pilele de combustie produc apă curată ca produs secundar în loc de poluare. În timp ce inginerii s-au concentrat temporar pe producerea hidrogenului din diverse surse fosile, cum ar fi benzina sau gazul natural, modalități regenerabile și ecologice de a produce hidrogen în viitor sunt explorate. Cel mai promițător, desigur, va fi procesul de obținere a hidrogenului din apă.
Dependența de petrol și încălzirea globală este o problemă internațională. Mai multe țări sunt implicate în comun în dezvoltarea cercetării și dezvoltării pentru tehnologia celulelor de combustie.
În mod clar, oamenii de știință și producătorii au mult de lucru înainte ca celulele de combustie să devină o alternativă la metodele actuale de producere a energiei. Și totuși, cu sprijinul lumii întregi și cooperarea globală, un sistem energetic viabil bazat pe celule de combustibil poate deveni o realitate în câteva decenii.