Am introdus racordul furtunului de umplere în gâtul de umplere a combustibilului și îl rotesc o jumătate de tură pentru a etanșa conexiunea. Un clic al comutatorului - și LED-ul care clipește pe pompa de benzină cu o inscripție uriașă h3 indică faptul că a început realimentarea. Un minut - și rezervorul este plin, poți pleca!

Contururile elegante ale caroseriei, suspensiile ultra joase, slick-urile cu profil redus dau o adevărată rasă de curse. Prin capacul transparent, este vizibilă o rețea complicată de conducte și cabluri. Am vazut deja pe undeva o solutie asemanatoare... A da, la Audi R8 motorul se vede si prin luneta. Dar la Audi este benzină tradițională, iar această mașină funcționează cu hidrogen. La fel ca BMW Hydrogen 7, dar spre deosebire de acesta din urmă, nu există un motor cu ardere internă. Singurele părți mobile sunt mecanismul de direcție și rotorul motorului electric. Iar energia pentru aceasta este furnizată de o pilă de combustibil. Această mașină a fost produsă de compania singaporeană Horizon Fuel Cell Technologies, specializată în dezvoltarea și producția de celule de combustie. În 2009, compania britanică Riversimple a introdus deja o mașină urbană cu hidrogen alimentată de celule de combustibil Horizon Fuel Cell Technologies. A fost dezvoltat în colaborare cu universitățile Oxford și Cranfield. Dar Horizon H-racer 2.0 este o dezvoltare individuală.

Pila de combustibil este formată din doi electrozi poroși acoperiți cu un strat de catalizator și separați de o membrană schimbătoare de protoni. Hidrogenul de la catalizatorul anod este transformat în protoni și electroni, care călătoresc prin anod și un circuit electric extern către catod, unde hidrogenul și oxigenul se recombină pentru a forma apă.

"Merge!" - redactorul-șef mă ghiontește cu cotul în stil Gagarin. Dar nu atât de repede: mai întâi trebuie să „încălziți” celula de combustibil la sarcină parțială. Comut comutatorul în modul „încălzire” și aștept timpul alocat. Apoi, pentru orice eventualitate, umplu rezervorul până se umple. Acum să mergem: mașina, cu motorul bâzâind lin, merge înainte. Dinamica este impresionantă, deși, apropo, la ce te mai poți aștepta de la o mașină electrică - cuplul este constant la orice viteză. Deși nu pentru mult timp - un rezervor plin de hidrogen durează doar câteva minute (Horizon promite să lanseze o nouă versiune în viitorul apropiat, în care hidrogenul nu este stocat ca gaz sub presiune, ci este reținut de un material poros în absorbant ). Și, sincer vorbind, nu este foarte controlat - sunt doar două butoane pe telecomandă. Dar, în orice caz, este păcat că aceasta este doar o jucărie controlată prin radio, care ne-a costat 150 de dolari. Nu ne-ar deranja să conducem o mașină adevărată cu celule de combustibil pentru putere.

Rezervorul, un recipient elastic din cauciuc în interiorul unei carcase rigide, se întinde la realimentare și funcționează ca o pompă de combustibil, „strângând” hidrogenul în celula de combustibil. Pentru a nu „umple excesiv” rezervorul, unul dintre fitinguri este conectat cu un tub de plastic la supapa de siguranță de urgență.

Benzinărie

Fă-o singur

Aparatul Horizon H-racer 2.0 este furnizat ca kit pentru asamblare la scară largă (tip bricolaj), îl puteți cumpăra, de exemplu, pe Amazon. Cu toate acestea, asamblarea nu este dificilă - doar puneți pila de combustibil la loc și fixați-o cu șuruburi, conectați furtunurile la rezervorul de hidrogen, celula de combustibil, gâtul de umplere și supapa de urgență și tot ce rămâne este să puneți partea superioară a caroserie pe loc, fără a uita de barele de protecție față și spate. Setul include o stație de alimentare care produce hidrogen prin electroliza apei. Este alimentat de două baterii AA, iar dacă doriți ca energia să fie complet „curată”, de panouri solare (sunt și ele incluse în kit).

www.popmech.ru

Cum să faci o celulă de combustibil cu propriile mâini?

Desigur, cea mai simplă soluție la problema asigurării funcționării constante a sistemelor fără combustibil este achiziționarea unei surse de energie secundară gata făcută pe bază hidraulică sau pe orice altă bază, dar în acest caz cu siguranță nu va fi posibilă evitarea suplimentară. costuri, iar în acest proces este destul de dificil să luăm în considerare orice idee pentru zborul gândirii creative. În plus, realizarea unei celule de combustibil cu propriile mâini nu este deloc atât de dificilă pe cât ați putea crede la prima vedere și chiar și cel mai neexperimentat meșteșugar poate face față sarcinii dacă dorește. In plus, un bonus mai mult decat placut va fi costul scazut al crearii acestui element, deoarece in ciuda tuturor beneficiilor si importantei sale, te poti descurca absolut usor cu mijloacele pe care le ai deja la indemana.

În acest caz, singura nuanță care trebuie luată în considerare înainte de a finaliza sarcina este că puteți realiza un dispozitiv extrem de redus cu propriile mâini, iar implementarea unor instalații mai avansate și mai complexe ar trebui lăsată în continuare în seama specialiștilor calificați. În ceea ce privește ordinea lucrărilor și succesiunea acțiunilor, primul pas este completarea corpului, pentru care cel mai bine este să folosiți plexiglas cu pereți groși (cel puțin 5 centimetri). Pentru lipirea pereților carcasei și instalarea pereților despărțitori interioare, pentru care cel mai bine este să utilizați plexiglas mai subțire (3 milimetri este suficient), în mod ideal, utilizați lipici din două compozite, deși dacă doriți cu adevărat, puteți face singur lipire de înaltă calitate, folosind următoarele proporții: la 100 de grame de cloroform - 6 grame așchii din același plexiglas.

În acest caz, procesul trebuie efectuat exclusiv sub o hotă. Pentru a echipa carcasa cu așa-numitul sistem de scurgere, este necesar să găuriți cu atenție un orificiu traversant în peretele său frontal, al cărui diametru se va potrivi exact cu dimensiunile dopului de cauciuc, care servește ca un fel de garnitură între carcasa și tubul de scurgere din sticlă. În ceea ce privește dimensiunea tubului în sine, în mod ideal, lățimea acestuia ar trebui să fie de cinci până la șase milimetri, deși totul depinde de tipul de structură proiectată. Este mai probabil să spunem că vechea mască de gaz enumerată în lista de elemente necesare pentru realizarea unei pile de combustibil va provoca o oarecare surpriză în rândul potențialilor cititori ai acestui articol. Între timp, întregul beneficiu al acestui dispozitiv constă în cărbunele activ situat în compartimentele respiratorului său, care ulterior poate fi folosit ca electrozi.

Deoarece vorbim despre o consistență pudrată, pentru a îmbunătăți designul veți avea nevoie de ciorapi de nailon, din care puteți face cu ușurință o pungă și puteți pune cărbunele în ea, altfel pur și simplu se va vărsa din gaură. În ceea ce privește funcția de distribuție, concentrația de combustibil are loc în prima cameră, în timp ce oxigenul necesar funcționării normale a celulei de combustie, dimpotrivă, va circula în ultimul, al cincilea compartiment. Electrolitul în sine, situat între electrozi, trebuie să fie înmuiat într-o soluție specială (benzină cu parafină într-un raport de 125 până la 2 mililitri), iar acest lucru trebuie făcut înainte de a plasa electrolitul de aer în al patrulea compartiment. Pentru a asigura o conductivitate adecvată, deasupra cărbunelui sunt așezate plăci de cupru cu fire pre-lidate, prin care electricitatea va fi transmisă de la electrozi.

Această etapă de proiectare poate fi considerată în siguranță etapa finală, după care dispozitivul finit este încărcat, pentru care va fi nevoie de un electrolit. Pentru a-l pregăti, trebuie să amestecați alcool etilic cu apă distilată în părți egale și să începeți să introduceți treptat potasiu caustic la o rată de 70 de grame pe pahar de lichid. Primul test al dispozitivului fabricat presupune umplerea simultană a primului (combustibil lichid) și a celui de-al treilea (electrolit din alcool etilic și potasiu caustic) al carcasei din plexiglas.

uznay-kak.ru

Pile de combustibil cu hidrogen | LAVENT

Îmi doream de mult să vă povestesc despre o altă direcție a companiei Alfaintek. Aceasta este dezvoltarea, vânzarea și service-ul pilelor de combustie cu hidrogen. Aș dori să explic imediat situația cu aceste pile de combustibil din Rusia.

Din cauza costului destul de ridicat și a lipsei totale de stații de hidrogen pentru încărcarea acestor celule de combustibil, vânzarea lor în Rusia nu este de așteptat. Cu toate acestea, în Europa, în special în Finlanda, aceste celule de combustibil câștigă popularitate în fiecare an. Care este secretul? Să aruncăm o privire. Acest dispozitiv este ecologic, ușor de utilizat și eficient. Vine în ajutorul unei persoane unde are nevoie de energie electrică. Îl poți lua cu tine pe drum, într-o drumeție sau îl poți folosi în casa ta la țară sau apartamentul tău ca sursă autonomă de energie electrică.

Electricitatea dintr-o pilă de combustibil este generată printr-o reacție chimică a hidrogenului din rezervor cu hidrura metalică și oxigenul din aer. Cilindrul nu este exploziv și poate fi depozitat în dulapul tău ani de zile, așteptând în aripi. Acesta este poate unul dintre principalele avantaje ale acestei tehnologii de stocare a hidrogenului. Stocarea hidrogenului este una dintre principalele probleme în dezvoltarea combustibilului cu hidrogen. Pile de combustie noi, unice, ușoare, care transformă hidrogenul în energie electrică convențională în siguranță, silențios și fără emisii.

Acest tip de electricitate poate fi folosit în locuri în care nu există electricitate centrală sau ca sursă de energie de urgență.

Spre deosebire de bateriile convenționale, care trebuie încărcate și deconectate de la consumatorul electric în timpul procesului de încărcare, o pilă de combustibil funcționează ca un dispozitiv „inteligent”. Această tehnologie oferă putere neîntreruptă pe toată perioada de utilizare datorită funcției unice de economisire a energiei la schimbarea recipientului de combustibil, care permite utilizatorului să nu oprească niciodată consumatorul. Într-o carcasă închisă, celulele de combustie pot fi depozitate câțiva ani fără a pierde volumul de hidrogen și a le reduce puterea.

Celula de combustie este concepută pentru oameni de știință și cercetători, forțele de ordine, agenții de intervenție în caz de urgență, proprietarii de bărci și porturi de agrement și oricine altcineva care are nevoie de o sursă de energie fiabilă în caz de urgență. Puteți obține 12 volți sau 220 volți și atunci veți avea suficientă energie pentru a vă funcționa televizorul, stereo, frigiderul, aparatul de cafea, ceainic, aspiratorul, mașina de găurit, microsoba și alte aparate electrice.

Pilele de combustie cu hidrocelule pot fi vândute ca o singură unitate sau în baterii de 2-4 celule. Două sau patru elemente pot fi combinate fie pentru a crește puterea, fie pentru a crește amperajul.

TIMPUL DE FUNCȚIONARE A APARATELOR DE CASĂ CU PILE DE COMBUSTIBIL

	Electrocasnice	Timp de funcționare pe zi (min.)	Necesar putere pe zi (Wh)	Timp de funcționare cu celule de combustibil
	Ceainic electric
	Cafetiera
	Microslab
	televizor
	1 bec 60W
	1 bec 75W
	3 becuri 60W
	Computer laptop
	Frigider
	Lampa de economisire a energiei

* - operație continuă

Pilele de combustie sunt complet încărcate la stații speciale de hidrogen. Dar ce se întâmplă dacă călătoriți departe de ei și nu există nicio modalitate de a vă reîncărca? Special pentru astfel de cazuri, specialiștii Alfaintek au dezvoltat cilindri pentru stocarea hidrogenului, cu care pilele de combustie vor funcționa mult mai mult.

Sunt disponibile două tipuri de cilindri: NS-MN200 și NS-MN1200. NS-MN200 asamblat este puțin mai mare decât o cutie de Coca-Cola, conține 230 de litri de hidrogen, ceea ce corespunde la 40Ah (12V) și cântărește doar 2,5 kg. .Cilindrul de hidrură metalică NS-MH1200 deține 1200 litri de hidrogen, ceea ce corespunde la 220Ah (12V). Greutatea cilindrului este de 11 kg.

Tehnica hidrurii metalice este o modalitate sigură și ușoară de depozitare, transport și utilizare a hidrogenului. Când este stocat ca hidrură de metal, hidrogenul este mai degrabă sub formă de compus chimic decât sub formă gazoasă. Această metodă face posibilă obținerea unei densități de energie suficient de mare. Avantajul folosirii hidrurii metalice este ca presiunea din interiorul cilindrului este de doar 2-4 bar.Cilindrul nu este exploziv si poate fi depozitat ani de zile fara a reduce volumul substantei. Deoarece hidrogenul este stocat sub formă de hidrură de metal, puritatea hidrogenului obținut din cilindru este foarte mare la 99,999%. Cilindrii de stocare a hidrogenului cu hidrură metalică pot fi utilizați nu numai cu pile de combustie HC 100.200.400, ci și în alte cazuri în care este nevoie de hidrogen pur. Cilindrii pot fi conectați cu ușurință la o pilă de combustie sau la alt dispozitiv folosind un conector rapid și un furtun flexibil.

Este păcat că aceste pile de combustibil nu sunt vândute în Rusia. Dar în rândul populației noastre există atât de mulți oameni care au nevoie de ele. Ei bine, o să așteptăm și să vedem, și veți vedea, vom avea câteva. Între timp, vom cumpăra becuri economice impuse de stat.

P.S. Se pare că subiectul a dispărut în sfârșit în uitare. La mulți ani după ce a fost scris acest articol, nu a rezultat nimic din el. Poate că nu mă uit peste tot, desigur, dar ceea ce îmi atrage atenția nu este deloc plăcut. Tehnologia și ideea sunt bune, dar nu au găsit încă nicio dezvoltare.

lavent.ru

Pila de combustibil este un viitor care începe astăzi!

Începutul secolului al XXI-lea consideră ecologia una dintre cele mai importante provocări globale. Iar primul lucru la care ar trebui acordată atenție în condițiile actuale este căutarea și utilizarea surselor alternative de energie. Ei sunt cei care sunt capabili să prevină poluarea mediului nostru, precum și să abandoneze complet prețurile în continuă creștere la combustibilii pe bază de hidrocarburi.

Deja astăzi, surse de energie precum celulele solare și turbinele eoliene și-au găsit aplicație. Dar, din păcate, dezavantajul lor este asociat cu dependența de vreme, precum și de anotimp și ora din zi. Din acest motiv, utilizarea lor în industria astronautică, aeronautică și auto este abandonată treptat, iar pentru utilizare staționară sunt echipate cu surse secundare de energie - baterii.

Cu toate acestea, cea mai bună soluție este o pilă de combustie, deoarece nu necesită reîncărcare constantă cu energie. Acesta este un dispozitiv care este capabil să prelucreze și să transforme diferite tipuri de combustibil (benzină, alcool, hidrogen etc.) direct în energie electrică.

O celulă de combustie funcționează pe următorul principiu: combustibilul este furnizat din exterior, care este oxidat de oxigen, iar energia eliberată este transformată în electricitate. Acest principiu de funcționare asigură o funcționare aproape veșnică.

De la sfârșitul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au studiat pila de combustibil în sine și au dezvoltat constant noi modificări ale acesteia. Așadar, astăzi, în funcție de condițiile de funcționare, există modele alcaline sau alcaline (AFC), borohidrat direct (DBFC), electro-galvanice (EGFC), metanol direct (DMFC), zinc-aer (ZAFC), microbiene (MFC), pe bază de acid formic (DFAFC) și hidruri metalice (MHFC) sunt de asemenea cunoscute.

Una dintre cele mai promițătoare este pila de combustibil cu hidrogen. Utilizarea hidrogenului în centralele electrice este însoțită de o eliberare semnificativă de energie, iar evacuarea unui astfel de dispozitiv este vapori de apă puri sau apă potabilă, care nu reprezintă nicio amenințare pentru mediu.

Testarea cu succes a celulelor de combustie de acest tip pe nave spațiale a trezit recent un interes considerabil în rândul producătorilor de electronice și diverse echipamente. Astfel, compania PolyFuel a prezentat o celulă de combustie cu hidrogen miniaturală pentru laptopuri. Dar costul prea mare al unui astfel de dispozitiv și dificultățile de realimentare nestingherită îi limitează producția industrială și distribuția largă. Honda produce, de asemenea, celule de combustibil pentru automobile de peste 10 ani. Cu toate acestea, acest tip de transport nu se pune în vânzare, ci doar pentru uzul oficial al angajaților companiei. Mașinile sunt sub supravegherea inginerilor.

Mulți oameni se întreabă dacă este posibil să asamblați o celulă de combustibil cu propriile mâini. La urma urmei, un avantaj semnificativ al unui dispozitiv de casă va fi o investiție minoră, în contrast cu un model industrial. Pentru modelul în miniatură, veți avea nevoie de 30 cm de sârmă de nichel acoperită cu platină, o bucată mică de plastic sau lemn, o clemă de baterie de 9 volți și bateria în sine, bandă adezivă transparentă, un pahar cu apă și un voltmetru. Un astfel de dispozitiv vă va permite să vedeți și să înțelegeți esența lucrării, dar, desigur, nu va fi posibil să generați energie electrică pentru mașină.

fb.ru

Pile de combustibil cu hidrogen: puțină istorie | Hidrogen

În prezent, problema deficitului de resurse energetice tradiționale și deteriorarea ecologiei planetei în ansamblu din cauza utilizării lor este deosebit de acută. Acesta este motivul pentru care, recent, s-au cheltuit resurse financiare și intelectuale semnificative pentru dezvoltarea unor înlocuitori potențial promițători pentru combustibilii cu hidrocarburi. Hidrogenul poate deveni un astfel de înlocuitor în viitorul foarte apropiat, deoarece utilizarea lui în centralele electrice este însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie, iar evacuarea este vapori de apă, adică nu reprezintă un pericol pentru mediu.

În ciuda unor dificultăți tehnice care încă există în implementarea pilelor de combustie pe bază de hidrogen, mulți producători de automobile au apreciat promisiunea tehnologiei și dezvoltă deja în mod activ prototipuri de mașini de producție capabile să folosească hidrogenul ca combustibil principal. În două mii unsprezece, Daimler AG a prezentat modele conceptuale Mercedes-Benz cu centrale electrice pe hidrogen. În plus, compania coreeană Hyndayi a anunțat oficial că nu mai intenționează să dezvolte mașini electrice, ci își va concentra toate eforturile pe dezvoltarea unei mașini cu hidrogen la prețuri accesibile.

În ciuda faptului că însăși ideea de a folosi hidrogenul ca combustibil nu este sălbatică pentru mulți, cei mai mulți nu au idee cum funcționează celulele de combustie care utilizează hidrogen și ce este atât de remarcabil la ele.

Pentru a înțelege importanța tehnologiei, vă sugerăm să privim istoria pilelor de combustibil cu hidrogen.

Prima persoană care a descris potențialul utilizării hidrogenului într-o pilă de combustibil a fost un german, Christian Friedrich. În 1838, el și-a publicat lucrările într-un reviste științifice faimoase ale vremii.

Chiar în anul următor, a fost creat un prototip al unei baterii cu hidrogen funcționale de către un judecător din Uhls, Sir William Robert Grove. Cu toate acestea, puterea dispozitivului era prea mică chiar și după standardele din acea vreme, așa că utilizarea sa practică era exclusă.

În ceea ce privește termenul „pilă de combustie”, acesta își datorează existența oamenilor de știință Ludwig Mond și Charles Langer, care în 1889 au încercat să creeze o celulă de combustie care funcționează cu aer și gazul cuptorului de cocs. Potrivit altor surse, termenul a fost folosit pentru prima dată de William White Jaques, care a decis pentru prima dată să folosească acid fosforic într-un electrolit.

În anii 1920, în Germania au fost efectuate o serie de studii, care au dus la descoperirea pilelor de combustie cu oxid solid și a modalităților de utilizare a ciclului carbonatului. Este de remarcat faptul că aceste tehnologii sunt utilizate eficient în timpul nostru.

În 1932, inginerul Francis T Bacon a început să lucreze la cercetarea directă a celulelor de combustibil pe bază de hidrogen. Înaintea lui, oamenii de știință au folosit o schemă stabilită - electrozi poroși de platină au fost plasați în acid sulfuric. Dezavantajul evident al unei astfel de scheme constă, în primul rând, în costul ridicat nejustificat din cauza utilizării platinei. În plus, utilizarea acidului sulfuric caustic a reprezentat o amenințare pentru sănătatea și uneori chiar viața cercetătorilor. Bacon a decis să optimizeze circuitul și a înlocuit platina cu nichel și a folosit o compoziție alcalină ca electrolit.

Datorită muncii productive pentru a-și îmbunătăți tehnologia, Bacon a prezentat publicului larg deja în 1959 celula sa originală cu hidrogen, care producea 5 kW și putea alimenta o mașină de sudură. El a numit dispozitivul prezentat „Bacon Cell”.

În octombrie același an, a fost creat un tractor unic care funcționa pe hidrogen și producea douăzeci de cai putere.

În anii șaizeci ai secolului XX, compania americană General Electric a dezvoltat schema dezvoltată de Bacon și a aplicat-o programelor spațiale Apollo și NASA Gemini. Experții de la NASA au ajuns la concluzia că utilizarea unui reactor nuclear este prea costisitoare, dificilă din punct de vedere tehnic și nesigură. În plus, a trebuit să renunțăm la utilizarea bateriilor împreună cu panourile solare din cauza dimensiunilor mari ale acestora. Soluția problemei au fost celulele de combustibil cu hidrogen, care sunt capabile să furnizeze nava spațială cu energie și echipajul său cu apă curată.

Primul autobuz care folosea hidrogen drept combustibil a fost construit în 1993. Și prototipurile de mașini de pasageri alimentate cu celule de combustibil cu hidrogen au fost prezentate deja în 1997 de astfel de mărci de automobile globale precum Toyota și Daimler Benz.

Este puțin ciudat că un combustibil promițător, prietenos cu mediul, vândut acum cincisprezece ani într-o mașină, nu a devenit încă răspândit. Există multe motive pentru aceasta, principalele, poate, sunt politice și solicitările pentru crearea infrastructurii adecvate. Să sperăm că hidrogenul își va spune în continuare cuvântul și va deveni un concurent semnificativ al mașinilor electrice.(odnaknopka)

energycraft.org

Creat 14.07.2012 20:44 Autor: Alexey Norkin

Societatea noastră materială fără energie nu poate doar să se dezvolte, ci chiar să existe deloc. De unde vine energia? Până nu demult, oamenii foloseau doar o singură modalitate de a-l obține; ne-am luptat cu natura, ardând trofeele obținute în cuptoarele de la focarele de acasă, apoi locomotivele cu abur și centralele termice puternice.

Nu există etichete pe kilowați-oră consumați de omul obișnuit modern care să indice câți ani a lucrat natura pentru ca omul civilizat să se poată bucura de beneficiile tehnologiei și câți ani mai are de muncit pentru a netezi daunele cauzate. ea de o asemenea civilizaţie. Cu toate acestea, există o înțelegere tot mai mare în societate că, mai devreme sau mai târziu, idila iluzorie se va termina. Din ce în ce mai mult, oamenii inventează modalități de a furniza energie pentru nevoile lor cu daune minime aduse naturii.

Pilele de combustibil cu hidrogen sunt Sfântul Graal al energiei curate. Ei procesează hidrogenul, unul dintre elementele comune ale tabelului periodic, și eliberează doar apă, cea mai comună substanță de pe planetă. Tabloul roz este stricat de lipsa accesului oamenilor la hidrogen ca substanță. Există o mulțime, dar numai în stare legată, iar extragerea lui este mult mai dificilă decât pomparea uleiului din adâncuri sau săpatul cărbunelui.

Una dintre opțiunile pentru producția curată și ecologică a hidrogenului este celulele de combustie microbiană (MTB), care folosesc microorganisme pentru a descompune apa în oxigen și hidrogen. Nici aici nu totul este bine. Microbii fac o treabă excelentă producând combustibil curat, dar pentru a obține eficiența necesară în practică, MTB necesită un catalizator care accelerează una dintre reacțiile chimice ale procesului.

Acest catalizator este metalul prețios platină, al cărui cost face ca utilizarea MTB-ului să fie nejustificată din punct de vedere economic și practic imposibilă.

Oamenii de știință de la Universitatea din Wisconsin-Milwaukee au găsit un înlocuitor pentru catalizatorul scump. În loc de platină, ei au propus să folosească nanorods ieftine realizate dintr-o combinație de carbon, azot și fier. Noul catalizator constă din tije de grafit cu azot încorporat în stratul de suprafață și miezuri de carbură de fier. Pe parcursul a trei luni de testare a noului produs, catalizatorul a demonstrat capacități mai mari decât cele ale platinei. Funcționarea nanorods s-a dovedit a fi mai stabilă și mai controlabilă.

Și, cel mai important, creația oamenilor de știință din universitate este mult mai ieftină. Astfel, costul catalizatorilor de platină este de aproximativ 60% din costul MTB, în timp ce costul nanorods este la 5% din prețul lor actual.

Potrivit creatorului nanorodurilor catalitice, profesorul Junhong Chen: „Pilele de combustie pot transforma direct combustibilul în electricitate. Împreună, energia electrică din surse regenerabile poate fi livrată acolo unde este nevoie, într-un mod curat, eficient și durabil.”

Profesorul Chen și echipa sa de cercetători studiază acum caracteristicile exacte ale catalizatorului. Scopul lor este de a oferi invenției lor un accent practic, pentru a o face potrivită pentru producția și utilizarea în masă.

Pe baza materialelor de la Gizmag

www.facepla.net

Pile de combustibil cu hidrogen și sisteme energetice

O mașină alimentată cu apă poate deveni în curând o realitate, iar celulele de combustibil cu hidrogen vor fi instalate în multe case...

Tehnologia celulelor de combustibil cu hidrogen nu este nouă. A început în 1776, când Henry Cavendish a descoperit pentru prima dată hidrogenul în timp ce dizolva metalele în acizi diluați. Prima pilă de combustibil cu hidrogen a fost inventată deja în 1839 de William Grove. De atunci, pilele de combustibil cu hidrogen au fost îmbunătățite treptat și sunt acum instalate în navetele spațiale, furnizându-le energie și servind drept sursă de apă. Astăzi, tehnologia celulelor de combustie cu hidrogen este pe punctul de a ajunge pe piața de masă, în mașini, case și dispozitive portabile.

Într-o pilă de combustibil cu hidrogen, energia chimică (sub formă de hidrogen și oxigen) este transformată direct (fără ardere) în energie electrică. O celulă de combustibil este formată dintr-un catod, electrozi și un anod. Hidrogenul este alimentat la anod, unde este separat în protoni și electroni. Protonii și electronii au căi diferite către catod. Protonii se deplasează prin electrod către catod, iar electronii trec în jurul celulelor de combustibil pentru a ajunge la catod. Această mișcare creează ulterior energie electrică utilizabilă. Pe de altă parte, protonii și electronii hidrogenului se combină cu oxigenul pentru a forma apă.

Electrolizoarele sunt o modalitate de a extrage hidrogenul din apă. Procesul este practic opusul a ceea ce se întâmplă cu o pilă de combustibil cu hidrogen. Electrolizorul este format dintr-un anod, o celulă electrochimică și un catod. Apa și tensiunea sunt aplicate anodului, care împarte apa în hidrogen și oxigen. Hidrogenul trece prin celula electrochimică către catod și oxigenul este furnizat direct către catod. De acolo, hidrogenul și oxigenul pot fi extrase și stocate. În perioadele în care nu este necesară producerea de energie electrică, gazul acumulat poate fi îndepărtat din instalația de stocare și trecut înapoi prin celula de combustie.

Acest sistem folosește hidrogenul drept combustibil, motiv pentru care probabil există multe mituri despre siguranța lui. După explozia Hindenburgului, mulți oameni departe de știință și chiar unii oameni de știință au început să creadă că utilizarea hidrogenului este foarte periculoasă. Cu toate acestea, cercetările recente au arătat că cauza acestei tragedii a fost legată de tipul de material care a fost folosit în construcție, și nu de hidrogenul care a fost pompat în interior. După testarea siguranței stocării hidrogenului, s-a constatat că stocarea hidrogenului în celulele de combustie este mai sigură decât depozitarea benzinei într-un rezervor de combustibil al mașinii.

Cât costă pilele moderne de combustibil cu hidrogen? Companiile oferă în prezent sisteme de combustibil cu hidrogen care produc energie pentru aproximativ 3.000 USD per kilowatt. Cercetările de marketing au stabilit că atunci când costul scade la 1.500 USD per kilowatt, consumatorii de pe piața de energie de masă vor fi gata să treacă la acest tip de combustibil.

Vehiculele cu celule de combustibil cu hidrogen sunt încă mai scumpe decât vehiculele cu motor cu ardere internă, dar producătorii explorează modalități de a aduce prețul la niveluri comparabile. În unele zone îndepărtate, unde nu există linii electrice, utilizarea hidrogenului ca combustibil sau alimentarea casei în mod independent poate fi mai economică acum decât, de exemplu, construirea infrastructurii pentru sursele tradiționale de energie.

De ce pilele de combustibil cu hidrogen nu sunt încă utilizate pe scară largă? În prezent, costul lor ridicat este principala problemă pentru răspândirea pilelor de combustie cu hidrogen. Sistemele de combustibil cu hidrogen pur și simplu nu au cerere în masă în acest moment. Cu toate acestea, știința nu stă pe loc și în viitorul apropiat o mașină care rulează pe apă poate deveni o realitate reală.

www.tesla-tehnika.biz

Poveste

Primul element a fost realizat, se pare, din mina unui creion simplu rusesc (este important), iar corpul era un dop de bere. Toate acestea au fost încălzite pe aragazul din bucătărie. Electrolitul a fost pulbere de curățat țevi Digger, care este NaOH conform etichetei. Din moment ce am reușit să iau ceva curent, m-am gândit că poate un astfel de element ar putea funcționa cu adevărat. Cutiile de tablă au început să curgă la cusături (lipirea a fost corodata de alcalii) și nici nu-mi amintesc care au fost rezultatele. Pentru o experiență mai serioasă, mi-am cumpărat un juggernaut din oțel inoxidabil. Cu toate acestea, nimic nu a mers cu ea. Nu numai că tensiunea era de doar 0,5 volți, dar era și direcționată în direcția greșită. De asemenea, s-a dovedit că cărbunii de la creioane chiar le place să se prăbușească în părțile lor componente. Aparent, acestea nu sunt realizate dintr-un cristal solid de grafit, ci sunt lipite împreună din praf. Aceeași soartă a avut-o și tijele de la bateriile AA. Am cumpărat și perii de la niște motoare electrice, dar locurile în care firul de alimentare intră în perie au devenit rapid inutilizabile. În plus, o pereche de perii s-a dovedit a conține cupru sau alt metal (acest lucru se întâmplă cu periile).

Scărpinându-mă pe ceafă, am decis că, pentru fiabilitate, ar fi mai bine să fac vasul din argint, iar cărbunele folosind tehnologia descrisă de Jaco, adică sinterizarea. Argintul costă bani moderat (prețurile fluctuează, dar undeva în jur de 10-20 de ruble pe gram). Am întâlnit ceai care costă mult mai mult.

Se știe că argintul este stabil în topirea NaOH, în timp ce fierul dă ferați, de exemplu, Na2FeO4. Deoarece fierul are în general o valență variabilă, ionii săi pot provoca un „scurtcircuit” în element, cel puțin în teorie. Prin urmare, am decis să verific mai întâi carcasa argintului, deoarece este mai simplu. În primul rând, a fost achiziționată o lingură placată cu argint cupruronic și, atunci când a fost testată cu perii, sa dovedit imediat a fi 0,9V dintr-un circuit deschis cu polaritatea necesară, precum și un curent destul de mare. Ulterior (nu practic, dar teoretic) s-a dovedit că argintul se poate dizolva și în alcali în prezența peroxidului de sodiu Na2O2, care se formează în anumite cantități atunci când aerul este suflat. Dacă acest lucru se întâmplă în element sau dacă sub protecția carbonului argintul este sigur, nu știu.

Lingura nu a trăit mult. Stratul de argint s-a umflat și a încetat să funcționeze. Cupronickelul este instabil în alcali (ca majoritatea materialelor existente în lume). După aceea, dintr-o monedă de argint am făcut o ceașcă specială, care a produs o putere record de 0,176 wați.

Toate acestea s-au făcut într-un apartament obișnuit de oraș, în bucătărie. Nu m-am ars grav, n-am aprins focul și am vărsat o singură leșie topită pe aragaz (smalțul s-a corodat imediat). S-a folosit cel mai simplu instrument. Dacă puteți afla tipul corect de fier și compoziția corectă a electrolitului, atunci fiecare bărbat nu atât de fără brațe poate face un astfel de element pe genunchi.

În 2008, au fost identificate mai multe „tipuri corecte de fier”. De exemplu, oțel inoxidabil alimentar, conserve, oțeluri electrice pentru circuite magnetice, precum și oțeluri cu conținut scăzut de carbon - st1ps, st2ps. Cu cât este mai puțin carbon, cu atât performanța este mai bună. Oțelul inoxidabil pare să funcționeze mai rău decât fierul pur (apropo, este mult mai scump). Fierul „foaie norvegiană”, cunoscut și sub numele de suedez, este fier care a fost fabricat din cărbune în Suedia folosind cărbune și nu conținea mai mult de 0,04% carbon. În prezent, un astfel de conținut scăzut de carbon poate fi găsit doar în oțelurile electrice. Cel mai bine este probabil să faceți cupe prin ștanțare din tablă de oțel electric

Făcând o ceașcă de argint

În 2008, s-a dovedit că și cupa de fier funcționează bine, așa că scot tot ce atinge cupa de argint. A fost interesant, dar acum nu mai este relevant.

Puteți încerca să utilizați grafit. Dar nu am avut timp. I-am cerut șoferului o suprapunere pentru claxoanele de troleibuz, dar asta era deja la sfârșitul epopeei mele experimentale. Puteți încerca și perii de la motoare, dar acestea sunt adesea realizate cu cupru, ceea ce încalcă puritatea experimentului. Aveam două opțiuni pentru perii, una s-a dovedit a fi cu cupru. Creioanele nu produc niciun rezultat deoarece au o suprafață mică și sunt incomod pentru a extrage curent. Tijele bateriei se destramă în alcalii
(se întâmplă ceva cu liantul). În general vorbind, grafitul este cel mai prost combustibil pentru element deoarece... este cel mai rezistent chimic. Prin urmare, facem electrodul „cinstit”. Luăm cărbune (eu am cumpărat cărbune de mesteacăn pentru grătare de la supermarket), îl macinăm cât mai fin (am măcinat mai întâi într-un mortar de porțelan, apoi mi-am cumpărat o râșniță de cafea). În industrie, electrozii sunt fabricați din mai multe fracțiuni de cărbune, amestecându-le între ele. Nimic nu te împiedică să faci la fel. Pulberea se arde pentru a crește conductivitatea electrică: trebuie încălzită timp de câteva minute la cea mai mare temperatură posibilă (1000 sau mai mult). Desigur, fără acces la aer.

Pentru asta am făcut o forjă din două cutii de tablă cuibărite una în cealaltă. Bucăți de argilă uscată sunt îngrămădite între ele pentru izolare termică. Fundul ambelor cutii este perforat astfel încât să existe loc pentru aer să sufle. Cutia interioară este umplută cu cărbuni (care acționează ca combustibil), printre aceștia este plasată o cutie de metal - un „crezet”, l-am rulat și eu din tablă dintr-o cutie de tablă. Pudra de cărbune înfășurată într-o pungă de hârtie este umplută în cutie. Trebuie să existe un spațiu între mănunchiul de cărbune și pereții „crezetului”. Este acoperit cu nisip pentru a preveni intrarea aerului. Cărbunii sunt aprinși, apoi suflați prin găurile din fund cu un uscător de păr obișnuit. Toate acestea reprezintă un pericol de incendiu - zboară scântei. Aveți nevoie de ochelari de protecție și, de asemenea, trebuie să vă asigurați că nu există perdele, butoaie de benzină sau alte pericole de incendiu în apropiere. Ar fi bine, în sensul bun, să faci astfel de lucruri undeva pe o gazon verde în timpul sezonului ploios (în pauza dintre ploi). Îmi pare rău, dar mi-e prea lene să desenez toată această structură. Cred că poți ghici fără mine.

În continuare, la pulberea arsă se adaugă o anumită cantitate de zahăr (probabil de la o treime la jumătate). Acesta este liantul. Apoi - puțină apă (când mâinile mele erau murdare și prea leneș să deschid robinetul, doar am scuipat în el și am adăugat bere în loc de apă, nu știu cât de mult contează; e foarte posibil ca materia organică să fie importantă. Toate acestea se amestecă bine în mortar.Rezultatul ar trebui să fie o masă de plastic.Din această masă trebuie să formați un electrod.Cu cât îl comprimați mai bine, cu atât mai bine.Am luat o bucată de tub astupată și am bătut cărbunele în tub cu un tub mai mic, folosind un ciocan.Pentru ca produsul să nu se destrame atunci când este scos din tub, înainte de umplere, au fost introduse mai multe jante de hârtie în țeavă.Dopul ar trebui să fie detașabil și chiar mai bine dacă țeava este tăiată pe lungime și conectat cu cleme. Apoi, după apăsare, puteți pur și simplu să deconectați clemele și să obțineți semifabricatul de cărbune în siguranță și sănătos. În cazul unui dop detașabil, aveți nevoie să stoarceți piesa finită din
țevi (în acest caz se poate destrăma). Cărbunele meu avea un diametru de 1,2-1,5 cm și o lungime de 4-5 cm.

Forma finită este uscată. Pentru a face acest lucru, am aprins aragazul la foc foarte mic, am așezat pe el o cutie goală cu susul în jos și am pus un cărbune pe fund. Uscarea trebuie să fie suficient de lentă, astfel încât vaporii de apă să nu rupă piesa de prelucrat. După ce toată apa s-a evaporat, zahărul va începe să „fierbe”. Se va transforma în caramel și se va lipi bucățile de cărbune împreună.

După răcire, trebuie să forați o gaură rotundă longitudinală (de-a lungul axei sale de simetrie) în cărbune în care va fi introdus electrodul de descărcare. Diametrul găurii - nu-mi amintesc, cred că era de 4 mm. Cu această procedură, totul poate fi deja acoperit, deoarece structura este fragilă. Am găurit mai întâi cu un burghiu de 2 mm, apoi am extins cu grijă (cu mâna) cu burghie de 3 mm și 4 mm, sau chiar o pilă cu ac, nu-mi amintesc exact. În principiu, această gaură poate fi făcută deja în faza de turnare. Dar asta -
nuanțe.

După ce totul este uscat și găurit, trebuie să-l trageți. Ideea generală este că, cu o creștere destul de lină a temperaturii, trebuie să supuși cărbunele la o încălzire puternică și uniformă fără acces la aer timp de ceva timp (aproximativ 20 de minute). Trebuie să-l încălzești treptat și să-l răcești. Temperatura - cu cât mai mare, cu atât mai bine. De preferat mai mult de 1000. Am avut
portocaliu (mai aproape de alb) încălzire a fierului într-o forjă improvizată. Electrozii industriali sunt aprinși timp de multe zile, cu o furnizare și eliminare foarte lină a căldurii. La urma urmei, aceasta este în esență ceramică, care este fragilă. Nu pot garanta că cărbunele nu va crăpa. Am făcut totul cu ochii. Unii cărbuni s-au crăpat imediat după utilizare.

Deci, cărbunele este gata. Ar trebui să aibă cât mai puțină rezistență. Când măsurați rezistența, nu trebuie să atingeți cărbunele cu ace ale testerului, ci să luați două fire toronate, să le sprijiniți de părțile laterale ale cărbunelui (nu de capetele tijei, ci pur și simplu de-a lungul diametrului) și să apăsați ferm cu degetele tale (doar pentru a nu crăpa), vezi figură, în figură masa amorfă roz este degetele care strâng firele de sârmă.

Dacă rezistența este de 0,3-0,4 ohmi (aceasta a fost la limita sensibilității testerului meu), atunci acesta este un cărbune bun. Dacă este mai mare de 2-3 ohmi, atunci este rău (densitatea de putere va fi mică). Dacă cărbunele nu are succes, puteți repeta arderea.

După ardere, facem un electrod de descărcare. Aceasta este o fâșie de argint sau fier - 2008 lungime egală cu de două ori sau puțin mai mică decât lungimea cărbunelui,
lățime - două diametre de găuri. Grosime - să spunem 0,5 mm. Din el trebuie să rulați un cilindru al cărui diametru exterior este egal cu
diametrul găurii. Dar cilindrul nu va funcționa, deoarece lățimea este prea mică; se va dovedi a fi un cilindru cu o fantă longitudinală. Acest slot este important pentru a compensa expansiunea termică. Dacă faceți un cilindru plin, argintul va sparge cărbunele când este încălzit.
Introducem „cilindrul” în cărbune. Trebuie să vă asigurați că se potrivește strâns în gaură. Există două părți ale acestui lucru: prea multă forță va sparge cărbunele; prea puțină forță nu va face suficient contact (acest lucru este foarte important). Vezi poza.

Acest design nu s-a născut imediat, mi se pare mai perfect decât acele cleme care sunt desenate în brevetul lui Jaco. În primul rând, cu un astfel de contact, curentul curge nu de-a lungul, ci de-a lungul razei cărbunelui cilindric, ceea ce poate reduce semnificativ pierderile electrice. În al doilea rând, metalele au un coeficient de dilatare termică mai mare decât cărbunele, astfel încât contactul cărbunelui cu clema metalică slăbește atunci când sunt încălzite. În cazul meu, contactul își întărește sau își menține puterea. În al treilea rând, dacă electrodul de descărcare nu este fabricat din argint, atunci carbonul îl protejează de oxidare. Grăbește-te și dă-mi un brevet!

Acum puteți măsura din nou rezistența; unul dintre poli va fi electrodul care transportă curent. Apropo, testerul meu are 0,3 ohmi - aceasta este deja limita de sensibilitate, deci este mai bine să treceți un curent cu o tensiune cunoscută și să măsurați puterea acestuia.

Rezervă de aer

Luăm o tijă de oțel dintr-un pix de mare capacitate. De preferat gol. Scoatem blocul cu mingea din el - ceea ce rămâne este doar un tub de fier. Îndepărtăm cu grijă pasta rămasă (nu am făcut asta foarte bine și pasta s-a carbonizat ulterior, ceea ce a îngreunat viața). În primul rând, acest lucru se face cu apă, apoi este mai bine să aprindeți tija de mai multe ori în flacăra arzătorului. Cerneala se va piroliza, lăsând în urmă carbon care poate fi scos.

În continuare, găsim un alt tub pentru a conecta această tijă (va fi fierbinte) cu un tub din PVC care duce de la compresorul acvariului, care este folosit pentru a condiționa peștii. Totul ar trebui să fie destul de strâns. Punem o clema reglabila pe teava din PVC, pentru ca pana si cel mai slab compresor produce prea mult aer. Ideal ar fi să faci un tub de argint, nu oțel, și chiar am reușit, dar nu am putut asigura o legătură strânsă între tubul de argint și linia PVC. Tuburile intermediare au otrăvit puternic aerul (din cauza acelorași goluri termice), așa că până la urmă m-am așezat pe o tijă de oțel. Desigur, această problemă poate fi rezolvată, dar a trebuit doar să-i petreci timp și efort și să alegi receptorul potrivit pentru situație. În general, în această parte am deviat foarte mult de la brevetul lui Jaco. Nu am putut să fac un trandafir ca cel pictat de el (și sincer, nu m-am uitat la designul său suficient de bine la acea vreme).

Aici merită să facem o scurtă digresiune și să discutăm despre modul în care Jaco a înțeles greșit munca elementului său. Evident, oxigenul intră într-o formă ionică undeva la catod, conform formulei O2 + 4e- = 2O2-, sau o reacție similară în care oxigenul este redus și se combină cu ceva. Adică, este important să se asigure contactul triplu al aerului, electrolitului și catodului. Acest lucru poate apărea atunci când bulele de aer intră în contact cu metalul atomizorului și electrolitul. Adică, cu cât perimetrul total al tuturor găurilor atomizorului este mai mare, cu atât ar trebui să fie mai mare curentul. De asemenea, daca faci o cana cu margini inclinate, se poate mari si suprafata de contact triplu, vezi fig.

O altă opțiune este atunci când oxigenul dizolvat este redus la catod. În acest caz, zona de contact triplu nu este deosebit de importantă, dar trebuie doar să maximizați suprafața bulelor pentru a accelera dizolvarea oxigenului. Adevărat, în acest caz nu este clar de ce oxigenul dizolvat nu oxidează cărbunele în mod direct, fără o reacție electrochimică (funcționarea „ocolită” circuitului electric). Aparent, în acest caz, proprietățile catalitice ale materialului cupei sunt importante. Bine, astea sunt toate versurile. În orice caz, trebuie să împărțiți fluxul în bule mici. Încercările pe care le-am făcut pentru a face acest lucru nu au avut un succes deosebit.

Pentru a face acest lucru, a fost necesar să se facă găuri subțiri, ceea ce a cauzat o mulțime de probleme.

În primul rând, găurile subțiri se înfundă rapid, deoarece... fierul se corodează, rugina și reziduurile de cărbune (amintiți-vă că acolo a fost cândva pastă de stilou) cad din tijă și astupă găurile.
În al doilea rând, găurile sunt de dimensiuni inegale și este dificil să faci aer să curgă simultan din toate găurile.
În al treilea rând, dacă două găuri sunt situate în apropiere, atunci există o tendință proastă ca bulele să se îmbine înainte de a se rupe.
În al patrulea rând, compresorul furnizează aer neuniform și acest lucru afectează cumva și dimensiunea bulelor (se pare că o bula iese la o singură apăsare). Toate acestea pot fi observate cu ușurință turnând apă într-un borcan transparent și testând pulverizatorul din acesta. Desigur, alcalii au un coeficient diferit de vâscozitate și tensiune superficială, așa că trebuie să acționezi la întâmplare. Nu am reușit niciodată să depășesc aceste probleme și, pe deasupra, problema scurgerilor de aer din cauza golurilor termice. Din cauza acestor scurgeri, pulverizatorul nu a putut începe să funcționeze, deoarece aceasta necesită depășirea forțelor de tensiune superficială. Aici au devenit pe deplin evidente deficiențele clemelor. Indiferent cum le strângeți, se mai slăbesc atunci când sunt încălzite. Drept urmare, am trecut la un simplu atomizator cu pix, care dădea un singur flux de bule. Aparent, pentru a face acest lucru într-un mod normal, trebuie să scăpați cu atenție de scurgeri, să furnizați aer sub o presiune semnificativă (mai mult decât cea creată de un compresor de acvariu) și prin găuri mici.

Această parte a designului este sincer prost elaborată...

Asamblare

Toate. Să punem totul împreună. Trebuie să instalați totul pe cleme astfel încât
1. Nu a existat un scurtcircuit prin structura de susținere.
2. Cărbunele nu a atins tubul de suflare a aerului sau pereții
ceașcă. Acest lucru va fi dificil, deoarece golurile sunt mici, clemele sunt slabe, iar alcalii vor gâfâi atunci când elementul funcționează. Va acționa și forța arhimediană, care va muta totul acolo unde nu este nevoie, și forța de tensiune superficială, atrăgând cărbunele spre alte obiecte. Argintul va deveni moale când este încălzit. Prin urmare, până la urmă, am ținut cărbunele cu un clește de capătul electrodului de descărcare. A fost rau. Pentru funcționarea normală, mai trebuie să faceți un capac (se pare că numai din porțelan - argila se înmoaie în alcali și își pierde rezistența, poate puteți folosi lut copt). Ideea cum se face acest capac se află în brevetul lui Jaco. Principalul lucru este că ar trebui să țină destul de bine cărbunele, pentru că... chiar și cu o ușoară nealiniere va atinge cupa din fund. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă o înălțime mare. Nu am reușit să găsesc un astfel de capac de porțelan și nici nu am reușit să fac unul ceramic din lut (tot ce am încercat să fac din lut s-a spart rapid, se pare că am tras cumva greșit). Singurul truc mic este să folosiți ca izolație termică un înveliș metalic și un strat de lut chiar și slab ars. Nici această cale nu este atât de ușoară.

Pe scurt, designul meu element a fost, de asemenea, lipsit de valoare.

De asemenea, este o idee bună să pregătiți un instrument care poate fi folosit pentru a obține o bucată de cărbune care poate cădea de pe electrod și poate cădea în alcali. O bucată de cărbune poate cădea și cădea în alcali, apoi va avea loc un scurtcircuit. Ca astfel de unealtă, aveam o clemă de oțel îndoită, pe care o țineam cu clești. Conectăm firele - unul la mâner, celălalt la electrodul de ieșire. Îl poți lipi, deși am folosit două plăci metalice și le-am înșurubat împreună cu șuruburi (toate dintr-un set de construcții metalice pentru copii). Principalul lucru este să înțelegeți că întreaga structură funcționează la tensiune joasă și toate conexiunile trebuie făcute bine. Măsurăm rezistența în absența electrolitului între electrozi - ne asigurăm că este mare (cel puțin 20 Ohmi). Măsurăm rezistența tuturor conexiunilor și ne asigurăm că sunt mici. Asamblam un circuit cu o sarcină. De exemplu, o rezistență de 1 Ohm și un ampermetru conectate în serie. Testerii au o rezistență scăzută a ampermetrului numai în modul de măsurare a unităților de amperi; este recomandabil să aflați acest lucru în avans. Puteți fie să porniți modul de schimbare a unității de amperi (curentul va fi de la 0,001 la 0,4 A), fie în loc de un ampermetru conectat în serie, porniți un voltmetru în paralel (tensiunea va fi de la 0,2 la 0,9 V). Este de dorit să se ofere capacitatea de a schimba condițiile în timpul experimentului pentru a măsura tensiunea în circuit deschis, curentul de scurtcircuit și curentul cu o sarcină de 1 ohm. Este mai bine dacă se poate schimba și rezistența: 0,5 ohm, 1 ohm și 2 ohm pentru a găsi cea la care se va atinge puterea maximă.

Pornim compresorul din acvariu și strângem clema astfel încât aerul să curgă abia (și, apropo, funcționalitatea conductei de alimentare trebuie verificată prin scufundarea acesteia în apă. Deoarece densitatea alcalinei este de 2,7, aceasta trebuie scufundat la o adâncime suficient de mare.Etanșeitatea completă nu este necesară, Principalul lucru este că, chiar și la o astfel de adâncime, ceva gâlgâie de la capătul tubului.

Masuri de precautie

Urmează lucrul cu alcalii topiți. Cum pot explica ce este topirea alcaline? Ți-a luat săpun în ochi? E neplăcut, nu-i așa? Deci, NaOH topit este, de asemenea, săpun, încălzit doar la 400 de grade și de sute de ori mai caustic.

Măsurile de protecție la lucrul cu alcalii topite sunt strict necesare!

În primul rând, Ochelarii de protecție buni sunt strict necesari. Sunt miop, așa că am purtat doi ochelari - ochelari de protecție din plastic deasupra și sticlă dedesubt. Ochelarii de protecție ar trebui să protejeze împotriva stropilor nu numai din față, ci și din lateral. Mă simțeam în siguranță în asemenea muniții. În ciuda ochelarilor de protecție, nu este recomandat să vă apropiați fața de dispozitiv.

Pe lângă ochii tăi, trebuie să-ți protejezi și mâinile. Am făcut totul cu mare atenție, așa că până la urmă m-am priceput și am lucrat într-un tricou. Acest lucru este util, deoarece cele mai mici stropi de alcali care cad uneori pe mâini dau o arsură care nu vă permite să uitați timp de câteva zile cu ce substanță aveți de-a face.

Dar, firește, aveam mănuși pe mâini. În primul rând, cele de cauciuc de uz casnic (nu cele mai subțiri), iar deasupra lor - coșuri de cârpe ieșind din dosul palmei. Le-am umezit cu apă ca să mă descurc cu obiectele fierbinți. Cu o astfel de pereche de manusi mainile sunt mai mult sau mai putin protejate. Dar trebuie să vă asigurați că mănușile exterioare nu sunt niciodată prea umede. O picătură de apă care cade în electrolit fierbe instantaneu, iar electrolitul stropește foarte frumos. Dacă se întâmplă acest lucru (și mi s-a întâmplat mie de trei ori), apar probleme cu sistemul respirator. În aceste cazuri, mi-am ținut imediat respirația fără a finaliza inhalarea (practica de caiac ajută să nu intru în panică în astfel de situații) și am ieșit cât mai repede din bucătărie.

În general, pentru a proteja sistemul respirator, este necesară o bună ventilație în timpul experimentului. In cazul meu a fost doar un draft (era vara). Dar în mod ideal ar trebui să fie o hotă sau în aer liber.

Deoarece stropii de leșie sunt inevitabile, tot ce se află în imediata apropiere a cupei este acoperit într-un anumit grad de leșie. Dacă îl manipulezi cu mâinile goale, s-ar putea să te arzi. Este necesar să spălați totul după finalizarea experimentului, inclusiv mănușile.

În cazul unei arsuri, am avut întotdeauna în apropiere un recipient cu apă și un recipient cu oțet diluat pentru a neutraliza alcalii în cazul unei arsuri severe. Din fericire, oțetul nu a fost niciodată util și nu pot spune dacă merită deloc folosit. În cazul unei arsuri, spălați imediat alcalii cu multă apă. Există, de asemenea, un remediu popular pentru arsuri - urina. Se pare că ajută și.

Lucrează de fapt cu elementul

Turnați NaOH uscat într-un pahar (eu am cumpărat Digger pentru curățarea țevilor). Puteți adăuga MgO și alte ingrediente, precum CaCO3 (pulbere de dinți sau cretă) sau MgCO3 (am luat MgO de la prieteni). Aprindeți arzătorul și încălziți-l. Deoarece NaOH este extrem de higroscopic, acest lucru trebuie făcut imediat (și punga cu NaOH trebuie să fie bine închisă). Ar fi o idee bună să vă asigurați că paharul este înconjurat de căldură pe toate părțile - curentul depinde FOARTE puternic de temperatură. Adică, faceți o cameră de ardere improvizată și direcționați flacăra arzătorului în ea (de asemenea, trebuie să vă asigurați că cartuşul de la arzător nu explodează, după părerea mea, aceste arzătoare sunt destul de prost făcute din acest punct de vedere, așa cum am deja a scris, pentru aceasta trebuie să gazele fierbinți nu au căzut pe recipient și era mai bine să-l mențineți în poziția sa normală și nu „cu susul în jos”).
Uneori se dovedește a fi convenabil să aduceți flacăra arzătorului de sus, dar asta după ce totul s-a topit. Apoi tubul de descărcare, electrodul de descărcare (și carbonul prin acesta) și partea superioară a sticlei, unde există cele mai multe bule de aer, sunt încălzite în același timp). Dacă memoria îmi servește corect, cel mai mare rezultat s-a obținut în acest fel.

După ceva timp, alcaliul va începe să se topească și volumul său va scădea. Trebuie să adăugați pulbere astfel încât paharul să aibă 2/3 din înălțime (alcaliul va curge din cauza capilarității și stropirii). Conducta de alimentare cu aer nu a funcționat bine pentru mine (din cauza expansiunii termice, golurile și scurgerile vor crește, iar datorită unei bune eliminări a căldurii, alcalii din ea se pot solidifica). Uneori, aerul înceta să curgă cu totul. Pentru a remedia acest lucru am făcut următoarele:
1. Suflare (creștere ușoară temporară a alimentării cu aer)
2. Ridică-te. (presiunea va fi mai mică, iar aerul va deplasa coloana de alcali din
tevi)
3. Încălzire (se scoate din cană și se încălzește cu un arzător pentru ca alcaliul din interiorul pulverizatorului să se topească).

În general, elementul începe să funcționeze bine la o temperatură roșie (alcaliul începe să strălucească). În același timp, începe să curgă spuma (acesta este CO2) și se aud zgomote de zgomot cu fulgerări (fie acesta este hidrogen, fie CO se arde, încă nu înțeleg).
Am reușit să obțin o putere maximă de 0,025 W/cm2 sau 0,176 W total per element, cu o rezistență la sarcină de 1,1 Ohmi. În același timp, am măsurat curentul cu un ampermetru. De asemenea, a fost posibilă măsurarea căderii de tensiune pe sarcină.

Degenerarea electrolitică

În element are loc o reacție secundară proastă

NaOH+CO2=Na2CO3+H2O.

Adică, după ceva timp (zeci de minute) totul se va întări (punctul de topire al sifonului - nu-mi amintesc, dar aproximativ 800). De ceva timp, acest lucru poate fi depășit prin adăugarea mai multor alcali, dar în cele din urmă nu contează - electrolitul se va întări. În ceea ce privește modul de combatere a acestui lucru, vezi alte pagini de pe acest site, începând cu pagina despre UTE.În general, poți folosi NaOH, în ciuda acestei probleme, despre care a scris Jaco în brevetul său. Pentru că există modalități de a produce NaOH din Na2CO3. De exemplu, deplasarea prin var nestins conform reacției Na2CO3+CaOH=2NaOH+CaCO3, după care se poate calcina CaCO3 și se va obține din nou CaO. Adevărat, această metodă este foarte consumatoare de energie și eficiența generală a elementului va scădea foarte mult, iar complexitatea va crește. Prin urmare, cred că mai trebuie să căutați o compoziție stabilă de electroliți, care a fost găsită în SARA. Este foarte posibil ca acest lucru să se poată realiza prin găsirea cererilor de brevet SARA în baza de date a Oficiului de Brevete al SUA (http://www.uspto.gov), mai ales că în timp acestea ar fi putut deveni brevete deja emise. Dar încă nu am ajuns la asta. De fapt, această idee în sine a apărut doar în timpul pregătirii acestor materiale. Se pare că o voi face în curând.

Rezultate, gânduri și concluzii

Aici s-ar putea să mă repet puțin. Puteți începe nu cu argint, ci imediat cu fier. Când am încercat să folosesc un trișor
din otel inoxidabil, mi-a iesit prost. Acum înțeleg că primul motiv pentru aceasta este temperatura scăzută și decalajul mare dintre electrozi. În articolul său, Jacques scrie că performanța slabă cu fierul se datorează faptului că uleiul arde la fier și se formează un al doilea electrod de carbon, așa că trebuie să curățați foarte atent fierul de călcat de cele mai mici urme de ulei și, de asemenea, să folosiți fier.
continut redus de carbon. Poate da, dar tot cred că există un alt motiv, mai important. Fierul este un element de valență variabilă. Se dizolvă și formează un „scurtcircuit”. Acest lucru este susținut și de schimbarea culorii. La utilizarea argintului, culoarea electrolitului nu se schimbă (argintul este cel mai rezistent metal la acțiunea alcalinelor topite). La
Când folosiți fierul, electrolitul devine maro. Când utilizați argint, tensiunea în circuit deschis ajunge la 0,9 V sau mai mare. Când utilizați fierul de călcat, acesta este semnificativ mai mic (nu îmi amintesc exact, dar nu mai mult de 0,6 V). În ceea ce privește ce fel de fier de călcat trebuie folosit pentru ca totul să funcționeze bine, consultați alte pagini. Mai multe despre vaporii de apă, despre care scrie SARA. Pe de o parte, este bine pentru toată lumea (teoretic): împiedică intrarea fierului în soluție (se cunoaște reacția de descompunere a feratilor de metale alcaline cu apa fierbinte, ceva de genul Na2FeO4+H2O=2NaOH+Fe2O3) și pare să se schimbe echilibrul într-o reacție secundară proastă. Am căutat termodinamica reacției NaOH+CO2=Na2CO3+H2O folosind programul online F*A*C*T (http://www.crct.polymtl.ca/FACT/index.php) La toate temperaturile, echilibrul în el este foarte puternic deplasat spre dreapta, adică este puțin probabil ca apa să înlocuiască semnificativ dioxidul de carbon din compusul său cu oxid de sodiu. Este posibil ca situația să se schimbe în aliajul NaOH-Na2CO3 sau să se formeze un fel de soluție apoasă, dar nu știu cum să aflu. Cred că în acest caz practica este criteriul adevărului.

Principalul lucru pe care îl puteți întâlni atunci când efectuați experimente cu abur este condensul. Dacă undeva pe parcurs din punctul în care apa intră în magistrala de aer, temperatura oricărui perete scade sub 100C, apa se poate condensa și apoi, odată cu fluxul de aer, să intre în alcali sub formă de picătură. Acest lucru este foarte periculos și trebuie evitat cu orice preț. Ceea ce este deosebit de periculos este că temperatura pereților nu este atât de ușor de măsurat. Eu însumi nu am încercat să fac nimic cu abur.

În general, desigur, trebuie să efectuați o astfel de muncă nu într-un apartament, ci cel puțin într-o casă de țară și să faceți imediat un element mai mare. Pentru a face acest lucru, desigur, veți avea nevoie de un cuptor mai mare pentru ardere, de o „sobă” mai mare pentru încălzirea elementului și de mai multe materii prime. Dar va fi mult mai convenabil să lucrezi cu toate detaliile. Acest lucru este valabil mai ales pentru structura elementului în sine, pe care nu am avut capac. A face un capac mare este mult mai ușor decât a face unul mic.

Despre argint. Argintul, desigur, nu este atât de ieftin. Dar dacă faceți electrodul de argint suficient de subțire, atunci celula de argint poate deveni rentabilă. De exemplu, să presupunem că am reușit să facem un electrod cu o grosime de 0,1 mm. Având în vedere plasticitatea și maleabilitatea argintului, acest lucru va fi ușor (argintul poate fi tras prin role într-o folie foarte subțire și chiar am vrut să fac asta, dar nu existau role). Cu o densitate de aproximativ 10 g/cm^3, un centimetru cub de argint costă aproximativ 150 de ruble. Acesta va oferi 100 de centimetri pătrați de suprafață a electrodului. Puteți obține 200cm^2 dacă luați doi cărbuni plate și puneți o farfurie de argint între ei. Cu o putere specifică de 0,025 W/cm^2 pe care am obținut-o, puterea este de 5 wați sau 30 de ruble pe watt, sau 30.000 de ruble pe kilowatt. Datorită simplității designului, vă puteți aștepta ca componentele rămase ale elementului kilowatt (aragaz, pompă de aer) să fie semnificativ mai ieftine. Corpul poate fi realizat din porțelan, care este relativ rezistent la topirea alcaline. Rezultatul nu va fi prea scump, chiar și în comparație cu centralele electrice pe benzină de putere redusă. Și panourile solare cu mori de vânt și generatoare termoelectrice se odihnesc mult în urmă. Pentru a reduce și mai mult prețul, puteți încerca să faceți un vas din cupru placat cu argint. În acest caz, stratul de argint va fi de 100-1000 de ori mai subțire. Adevărat, experimentele mele cu o lingură de cupronickel s-au încheiat fără succes, așa că nu este clar cât de durabil va fi stratul de argint. Adică, chiar și utilizarea argintului deschide perspective destul de bune. Singurul lucru care ar putea eșua aici este dacă argintul nu este suficient de puternic.

Mai multe despre materialele carcasei. Se presupune că peroxizii de sodiu, de exemplu, Na2O2, care ar trebui să apară atunci când aerul este suflat în NaOH, sunt de mare importanță în timpul funcționării elementului. La temperaturi ridicate, peroxidul corodează aproape toate substanțele. Au fost efectuate experimente pentru a măsura pierderea în greutate cu creuzete din diferite materiale care conțin peroxid de sodiu topit. Zirconiul s-a dovedit a fi cel mai rezistent, urmat de fier, apoi nichel, apoi porțelan. Silver nu a ajuns în primele patru. Din păcate, nu-mi amintesc exact cât de stabil este argintul. S-a scris acolo și despre rezistența bună a Al2O3 și MgO. Dar locul doi, care este ocupat de fier, inspiră optimism.

Asta e tot, de fapt.

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

Pilă de combustibil DIY acasă

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

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

Ce sunt pilele de combustibil?

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

Pilele de combustie sunt de interes pentru producătorii de mașini, iar designerii de nave spațiale sunt, de asemenea, interesați de ele. În 1965, au fost chiar testați de America pe nava spațială Gemini 5 lansată în spațiu, iar mai târziu pe Apollo. Milioane de dolari sunt încă investite în cercetarea celulelor de combustie și astăzi, când există probleme asociate cu poluarea mediului și creșterea emisiilor de gaze cu efect de seră generate în timpul arderii combustibililor fosili, ale căror rezerve nu sunt, de asemenea, nesfârșite.

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

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

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

Celulă de combustibil DIY

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Alatura-te noua

Descriere:

Acest articol examinează mai detaliat designul, clasificarea, avantajele și dezavantajele acestora, domeniul de aplicare, eficacitatea, istoria creației și perspectivele moderne de utilizare.

Utilizarea pilelor de combustibil pentru alimentarea clădirilor

Partea 1

Acest articol examinează mai detaliat principiul funcționării pilelor de combustie, designul, clasificarea lor, 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 au fost folosite diferite tipuri de pile de combustie ca surse de căldură și alimentare cu energie (sau doar surse de energie).

Apa poate fi stocată chiar și în ambele direcții, atât sub formă comprimată, cât și lichefiată, dar aceasta este și nămol, ambele cauzate de probleme tehnice semnificative. Acest lucru se datorează presiunilor ridicate și temperaturilor extrem de scăzute din cauza lichefierii. Din acest motiv, de exemplu, un suport de dozator de combustibil cu apă trebuie să fie proiectat altfel decât suntem obișnuiți; capătul liniei de umplere conectează brațul robotizat de o supapă de pe mașină. Conectarea și umplerea sunt destul de periculoase și, prin urmare, este mai bine dacă se întâmplă fără prezența umană.

Introducere

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

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

Un astfel de dispozitiv este într-un test de rulare la aeroportul din München, încercați să conduceți aici cu mașini și autobuze individuale. Un kilogram mare de kilometraj este mișto, dar în practică este la fel de important ca câte kilograme va costa și cât spațiu în mașină va ocupa un rezervor de combustibil puternic și izolat. Alte probleme cu apa: - creați o baie de aer complexă - problemă cu garajele, atelierele de reparații auto etc. - datorită unei molecule mici care pătrunde în fiecare blocaj, șuruburi și supape - compresia și lichefierea necesită o cheltuială semnificativă de energie.

O celulă de combustie (generator electrochimic) este un dispozitiv care transformă energia chimică a combustibilului (hidrogenul) în energie electrică direct printr-o reacție electrochimică, 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 procesul de funcționare produce o cantitate minimă de poluanți și nu există zgomot sau vibrații puternice.

Presiunile speciale, compresia și setul de măsuri de siguranță necesare au o valoare foarte bună în evaluarea la capătul apei, în comparație cu combustibilii lichizi de hidrocarburi, care sunt produși folosind recipiente ușoare, nepresurizate. Prin urmare, poate circumstanțe foarte urgente pot contribui la plăcerea lui cu adevărat măgulitoare.

În viitorul apropiat, producătorii de automobile încă caută combustibili lichizi mai ieftini și relativ mai puțin periculoși. Topitura la cald poate fi metanol, care poate fi extras relativ ușor. Principala și singura sa problemă este toxicitatea, pe de altă parte, precum apa, metanul poate fi folosit atât în ​​motoarele cu ardere internă, cât și într-un anumit tip de lanț de combustibil. Are și unele avantaje la motoarele cu ardere internă, inclusiv în ceea ce privește emisiile.

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

În acest sens, apa se poate ridica la o competiție relativ neașteptată și totuși capabilă. Pila de combustibil este o sursă de curent generată de o reacție electrochimică. Spre deosebire de toate bateriile noastre cunoscute, primește reactivi și descarcă deșeuri în mod constant, așa că, spre deosebire de baterie, este practic inepuizabilă. Deși există multe tipuri diferite, următoarea diagramă a unei celule de combustibil cu hidrogen ne ajută să înțelegem cum funcționează.

Combustibilul este furnizat la electrodul pozitiv, unde este oxidat. Oxigenul O2 intră în electrodul negativ și poate fi redus.

A fost chiar posibil să se dezvolte o pilă de combustie care ardea direct cărbunele. Întrucât munca oamenilor de știință de la Lawrence Livermore Laboratory, care a reușit să testeze o pilă de combustibil care transformă direct cărbunele în electricitate, ar putea fi o piatră de hotar foarte importantă în dezvoltarea energiei, ne vom opri la câteva cuvinte. Pământul de cărbune de până la 1 micron este amestecat la 750-850 ° C cu carbonat de litiu, sodiu sau potasiu topit.

Pentru a produce energie electrică, se poate folosi nu numai hidrogen pur, ci și alte materii prime care conțin hidrogen, de exemplu, gaz natural, amoniac, metanol sau benzină. Aerul obișnuit este folosit ca sursă de oxigen, de asemenea necesară pentru reacție.

Atunci când se utilizează hidrogen pur ca combustibil, produșii de reacție, pe lângă energia electrică, sunt căldura și apa (sau vaporii de apă), adică gazele care provoacă poluarea aerului sau produc efectul de seră nu sunt emise în atmosferă. 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 de azot, vor fi un produs secundar al reacției, dar cantitatea este mult mai mică decât atunci când se arde aceeași cantitate de substanță naturală. gaz.

Apoi totul se face în mod standard conform diagramei de mai sus: oxigenul din aer reacționează cu carbonul la dioxid de carbon, iar energia este eliberată sub formă de electricitate. Deși cunoaștem mai multe tipuri diferite de celule de combustibil, toate funcționează conform principiului descris. Acesta este un fel de ardere controlată. Când amestecăm hidrogenul cu oxigenul, obținem un amestec de fisiune care explodează formând apă. Energia este eliberată sub formă de căldură. O celulă de combustie cu hidrogen are aceeași reacție, produsul este și apă, dar energia este eliberată sub formă de electricitate.

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 combustibil sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât motoarele cu ardere internă, deoarece nu există o limitare a eficienței energetice termodinamice pentru celulele de combustibil. 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.

Marele avantaj al unei celule de combustie este ca produce electricitate din combustibil intr-un fel sau altul direct, fara o centrala termica intermediara, deci emisiile sunt mai mici si eficienta este mai mare. Atinge 70%, în timp ce ca standard realizăm o conversie de 40% a cărbunelui în energie electrică. De ce nu construim pile de combustibil gigantice în loc de centrale electrice? O celulă de combustie este un dispozitiv destul de complex care funcționează la temperaturi ridicate, astfel încât cerințele pentru materialele electrozilor și electrolitul în sine sunt ridicate.

Spre deosebire, de exemplu, de motoarele cu ardere internă, eficiența celulelor de combustie rămâne foarte ridicată chiar și atunci când acestea nu funcționează la putere maximă. În plus, puterea celulelor de combustie poate fi mărită prin simpla adăugare de unități individuale, în timp ce eficiența nu se modifică, adică instalațiile mari sunt la fel de eficiente ca și cele mici. Aceste circumstanțe fac posibilă selectarea foarte flexibilă a compoziției echipamentelor în conformitate cu dorințele clientului și conduc în cele din urmă la o reducere a costurilor echipamentelor.

Electroliții includ, de exemplu, membrane schimbătoare de ioni sau materiale ceramice conductoare, sau mai degrabă materiale scumpe, sau acid fosforic, hidroxid de sodiu sau carbonați de metale alcaline topite, care sunt foarte agresivi pentru a modifica țesutul. Tocmai această dificultate, după entuziasmul inițial din secolul al XX-lea, celulele de combustie, în afara programului spațial, nu au fost mai semnificative.

Interesul a scăzut apoi din nou când a devenit clar că utilizarea mai largă depășea capacitățile tehnologiei la acea vreme. Cu toate acestea, în ultimii treizeci de ani, dezvoltarea nu s-a oprit, au apărut noi materiale și concepte, iar prioritățile noastre s-au schimbat - acum acordăm mult mai multă atenție protecției mediului decât atunci. Prin urmare, experimentăm o renaștere a pilelor de combustibil, care sunt din ce în ce mai utilizate în multe domenii. Există 200 de astfel de dispozitive în întreaga lume. De exemplu, ele servesc ca dispozitiv de rezervă în cazul în care defecțiunea rețelei ar putea cauza probleme grave - de exemplu, în spitale sau unități militare.

Un avantaj important al celulelor de combustie este respectarea mediului. Emisiile de celule de combustie sunt atât de scăzute încât, în unele zone din Statele Unite, funcționarea lor nu necesită aprobare specială din partea autorităților guvernamentale de reglementare a calității aerului.

Pilele de combustie pot fi amplasate direct într-o clădire, reducând pierderile în timpul transportului de energie, iar căldura generată ca urmare a reacției poate fi folosită pentru a furniza căldură sau apă caldă clădirii. Sursele autonome de căldură și electricitate pot fi foarte benefice în zonele îndepărtate și în regiunile caracterizate de deficitul de energie electrică și costul ridicat al acesteia, dar în același timp există rezerve de materii prime care conțin hidrogen (petrol, gaze naturale).

Sunt folosite în locații foarte îndepărtate unde este mai ușor să transportați combustibil decât să întindeți cablul. De asemenea, pot începe să concureze cu centralele electrice. Acesta este cel mai puternic modul instalat din lume.

Aproape fiecare mare producător auto lucrează la un proiect de vehicule electrice cu celule de combustibil. Pare a fi un concept mult mai promițător decât o mașină electrică cu baterie convențională, deoarece nu necesită un timp lung de încărcare și schimbarea de infrastructură necesară nu este la fel de extinsă.

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

Unul dintre principalele dezavantaje ale pilelor de combustie de astăzi este costul lor relativ ridicat, dar acest dezavantaj 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.

Importanța tot mai mare a pilelor de combustie este ilustrată și de faptul că administrația Bush și-a regândit recent abordarea față de dezvoltarea automobilelor, iar fondurile pe care le-a cheltuit pentru dezvoltarea mașinilor cu cel mai bun kilometraj posibil sunt acum transferate către proiectele de celule de combustibil. Finanțarea dezvoltării nu rămâne pur și simplu în mâinile statului.

Desigur, noul concept de drive nu se limitează la autoturisme, dar îl putem găsi și în transportul în masă. Autobuzele cu celule de combustibil transportă pasageri pe străzile mai multor orașe. Alături de unitățile de mașină, există o serie de altele mai mici pe piață, cum ar fi computere alimentate, camere video și telefoane mobile. În imagine vedem o celulă de combustibil pentru alimentarea alarmei de trafic.

Cel mai eficient mod este utilizarea hidrogenului pur ca combustibil, dar 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, se ia în considerare posibilitatea de a utiliza surse de energie regenerabilă ecologice (de exemplu, energia solară sau eoliană) pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen prin electroliză și apoi a converti combustibilul rezultat într-o pilă de combustie. Astfel de centrale combinate, care funcționează într-un ciclu închis, pot reprezenta o sursă de energie complet ecologică, fiabilă, durabilă și eficientă.

Merită menționată utilizarea pilelor de combustie în depozitele de gunoi, unde acestea pot arde emisiile de gaze și pot contribui la îmbunătățirea mediului, pe lângă producerea de energie electrică. Mai multe instalații de testare sunt în prezent operaționale și un program extins de instalare a acestor instalații este în curs de pregătire la 150 de locuri de testare din Statele Unite. Pilele de combustie sunt pur și simplu dispozitive utile și suntem siguri că le vom vedea din ce în ce mai des.

Chimiștii au dezvoltat un catalizator care ar putea înlocui platina scumpă în celulele de combustie. În schimb, folosește aproximativ două sute de mii de fier ieftin. Pilele de combustie transformă energia chimică în energie electrică. Electronii din diferite molecule au energii diferite. Diferența de energie dintre o moleculă și alta poate fi folosită ca sursă de energie. Găsiți doar o reacție în care electronii se mișcă de la sus în jos. Astfel de reacții sunt principala sursă de energie pentru organismele vii.

O altă caracteristică a pilelor de combustie este că acestea sunt cele mai eficiente atunci când folosesc atât energia electrică, cât și cea termică simultan. Cu toate acestea, nu toate instalațiile au posibilitatea de a utiliza energia termică. Dacă pilele de combustie sunt folosite doar pentru a genera energie electrică, eficiența acestora scade, deși depășește eficiența instalațiilor „tradiționale”.

Cea mai cunoscută este respirația, care transformă zaharurile în dioxid de carbon și apă. Într-o pilă de combustibil cu hidrogen, moleculele de hidrogen cu doi atomi se combină cu oxigenul pentru a forma apă. Diferența de energie dintre electronii din hidrogen și apă este folosită pentru a genera electricitate. Celulele cu hidrogen sunt probabil cele mai des folosite pentru a conduce mașini astăzi. Expansiunea lor masivă previne, de asemenea, micile agățari.

Pentru a avea loc o reacție bogată energetic, este necesar un catalizator. Catalizatorii sunt molecule care cresc probabilitatea apariției unei reacții. Fără catalizator, ar putea funcționa, dar mai rar sau mai lent. Celulele cu hidrogen folosesc platina prețioasă ca catalizator.

Istoria și utilizarea modernă a pilelor de combustie

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 curent electric - este reversibil, adică hidrogenul și oxigenul pot fi combinați în molecule de apă fără ardere, dar cu eliberare. de căldură și curent electric. Grove a numit dispozitivul în care a fost posibilă o astfel de reacție „baterie cu gaz”, care a fost prima celulă de combustibil.

Aceeași reacție care are loc în celulele cu hidrogen are loc și în celulele vii. Enzimele sunt molecule relativ mari alcătuite din aminoacizi care pot fi combinați precum cărămizile Lego. Fiecare enzimă are un așa-numit loc activ, unde reacția este accelerată. Moleculele altele decât aminoacizii sunt, de asemenea, adesea prezente la locul activ.

În cazul acidului hidrogen, acesta este fierul. O echipă de chimiști, condusă de Morris Bullock de la Laboratorul Pacific al Departamentului de Energie al SUA, a reușit să imite reacția la locul activ de hidrogenare. Ca o enzimă, hidrogenarea este suficientă pentru platină cu fier. Poate diviza 0,66 până la 2 molecule de hidrogen pe secundă. Diferența de tensiune variază de la 160 la 220 de mii de volți. Ambele sunt comparabile cu catalizatorii actuali de platină utilizați în celulele cu hidrogen. Reacția se efectuează la temperatura camerei.

Dezvoltarea activă a tehnologiilor pentru utilizarea pilelor de combustie a început după cel de-al doilea război mondial și este asociată cu industria aerospațială. În acest moment, era în curs de căutare o sursă de energie eficientă și fiabilă, dar în același timp destul de compactă. În anii 1960, specialiștii 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. Nava spațială Apollo a folosit trei centrale de 1,5 kW (2,2 kW 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 funcționau în paralel, dar energia generată de o unitate a fost suficientă pentru o întoarcere în siguranță. Pe parcursul a 18 zboruri, pilele de combustie au funcționat un total de 10.000 de ore fără defecțiuni. În prezent, în naveta spațială sunt folosite celule de combustibil, care utilizează trei unități de 12 W pentru a genera toată energia electrică de la bordul navei spațiale (Fig. 2). Apa obținută în urma reacției electrochimice este folosită pentru apă potabilă și, de asemenea, pentru echipamente de răcire.

Un kilogram de fier costă 0,5 CZK. Prin urmare, fierul este de 200 de mii de ori mai ieftin decât platina. În viitor, celulele de combustibil ar putea fi mai ieftine. Platina scumpă nu este singurul motiv pentru care nu ar trebui folosite, cel puțin nu la scară largă. Manipularea acestuia este dificilă și periculoasă.

Dacă camerele cu hidrogen ar fi folosite în vrac pentru a conduce mașinile, ar trebui să construiască aceeași infrastructură ca și benzina și motorina. În plus, cuprul este necesar pentru a produce motoarele electrice care alimentează mașinile cu hidrogen. Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că celulele de combustie sunt inutile. Când există petrol, poate nu avem de ales decât să funcționăm cu hidrogen.

La noi s-au lucrat și la crearea pilelor de combustie pentru utilizare în astronautică. De exemplu, celulele de combustibil au fost folosite pentru a alimenta nava spațială reutilizabilă sovietică Buran.

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 electrice staționare pe pile de combustie (atât pentru alimentarea centralizată, cât și descentralizată de energie), de centrale electrice pentru vehicule (au fost create mostre de mașini și autobuze pe pile de combustie, inclusiv în țara noastră) (Fig. 3), și de asemenea, surse de alimentare pentru diverse dispozitive mobile (computere portabile, telefoane mobile etc.) (Fig. 4).

Exemple de utilizare a pilelor de combustie în diferite domenii sunt date în tabel. 1.

Unul dintre primele modele comerciale de celule de combustie concepute pentru alimentarea autonomă cu energie termică și electrică a clădirilor a fost modelul PC25 A, produs de ONSI Corporation (acum United Technologies, Inc.). Această pilă de combustie cu o putere nominală de 200 kW este un tip de celulă cu un electrolit pe bază de acid fosforic (Phosphoric Acid Fuel Cells, PAFC). Numărul „25” din numele modelului înseamnă numărul de serie al designului. Majoritatea modelelor anterioare erau unități experimentale sau de testare, cum ar fi modelul „PC11” de 12,5 kW introdus în anii 1970. Noile modele au crescut puterea extrasă dintr-o celulă de combustibil individuală 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. La fel ca modelul A, aceasta este o celulă de combustibil PAFC complet automată de 200 kW proiectată pentru instalarea la fața locului ca sursă autonomă de căldură și energie. O astfel de pilă de combustibil poate fi instalată în afara unei clădiri. În exterior, este un paralelipiped de 5,5 m lungime, 3 m lățime și înălțime, cu o greutate de 18.140 kg. Diferența față de modelele anterioare este un reformator îmbunătățit și o densitate de curent mai mare.

tabelul 1 Domeniul de aplicare al pilelor de combustibil

Regiune aplicatii Nominal putere Exemple de utilizare Staționar instalatii 5–250 kW și superior Surse autonome de alimentare cu energie termică și electrică pentru clădiri rezidențiale, publice și industriale, surse de alimentare neîntreruptibile, surse de alimentare de rezervă și de urgență Portabil instalatii 1–50 kW Semnale rutiere, camioane de transport de marfă și frigorifice, scaune cu rotile, cărucioare de golf, nave spațiale și sateliți Mobil instalatii 25–150 kW Mașini (prototipurile au fost create, de exemplu, de DaimlerCrysler, FIAT, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, Nissan, Toyota, Volkswagen, VAZ), autobuze (de exemplu, „MAN”, „Neoplan”, „Renault”) și alte vehicule , nave de război și submarine Microdispozitive 1-500 W Telefoane mobile, laptopuri, asistenți digitali personali (PDA), diverse dispozitive electronice de larg consum, dispozitive militare moderne

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 se adună pe electrozii poroși. Când o sarcină este conectată, o astfel de pilă de combustibil regenerativă va începe să producă energie electrică.

O direcție promițătoare pentru utilizarea pilelor de combustie este utilizarea lor împreună cu sursele de energie regenerabilă, de exemplu, panourile fotovoltaice sau centralele eoliene. Această tehnologie ne permite să evităm complet poluarea aerului. Un sistem similar este planificat să fie creat, de exemplu, la Centrul de pregătire 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 pentru utilizarea panourilor fotovoltaice pentru a produce hidrogen și oxigen din apă prin electroliză. Hidrogenul este apoi folosit în celulele de combustie pentru a produce energie electrică și. Acest lucru va permite clădirii să mențină funcționalitatea tuturor sistemelor în timpul zilelor înnorate și pe timp de noapte.

Principiul de funcționare al celulelor de combustie

Să luăm în considerare principiul de funcționare al unei celule de combustibil folosind exemplul unui element simplu cu o membrană schimbătoare de protoni (Proton Exchange Membrane, PEM). O astfel de celulă constă dintr-o membrană polimerică plasată între un anod (electrod pozitiv) și un catod (electrod negativ) împreună cu catalizatori anod și catodic. Membrana polimerică este utilizată ca electrolit. Diagrama elementului PEM este prezentată în Fig. 5.

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

La anod are loc un proces de oxidare, iar la catod are loc un proces de reducere. Anodul și catodul dintr-o celulă PEM sunt realizate dintr-un material poros, care este un amestec de particule de carbon și platină. Platina acționează ca un catalizator care promovează 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 sunt descompuse în atomi individuali (Fig. 6).

	Figura 5. () Schema unei celule de combustibil cu o membrană schimbătoare de protoni (celulă PEM)
	Figura 6. () Moleculele de hidrogen trec prin canalele din placă către anod, unde moleculele se descompun în atomi individuali
	Figura 7. () Ca rezultat al chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen sunt transformați în protoni.
	Figura 8. () Ionii de hidrogen încărcați pozitiv difuzează prin membrană către catod, iar un flux de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina.
	Figura 9. () Oxigenul furnizat catodului, în prezența unui catalizator, intră într-o reacție chimică cu ionii de hidrogen din membrana schimbătoare de protoni și electronii din circuitul electric extern. Ca rezultat al unei reacții chimice, se formează apă

Apoi, ca urmare a chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen, fiecare ce cedează 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 din alte tipuri de pile de combustie (de exemplu, cu un electrolit acid, care folosește o soluție de acid ortofosforic H 3 PO 4) este absolut identică cu reacția chimică dintr-o pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni.

În orice pilă de combustibil, o parte din energia dintr-o reacție chimică este eliberată sub formă de căldură.

Fluxul de electroni într-un circuit extern este un curent continuu care este utilizat 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 celulei de combustie, dimensiunile geometrice, temperatură, presiunea gazului. O celulă de combustibil separată oferă un EMF mai mic de 1,16 V. Dimensiunea celulelor de combustibil poate fi mărită, dar în practică sunt utilizate mai multe elemente conectate la baterii (Fig. 10).

Design de celule de combustibil

Să ne uităm la designul unei celule de combustibil folosind PC25 Model C ca exemplu. Diagrama celulei de combustibil este prezentată în Fig. unsprezece.

Celula 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 baterie compusă din 256 de celule de combustibil individuale. Electrozii celulei de combustibil conțin un catalizator de platină. Aceste celule produc un curent electric constant de 1.400 de amperi la 155 de 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 realiza acest lucru, pila de combustibil include un circuit separat de apă, iar bateria este echipată cu plăci speciale de răcire.

Procesorul de combustibil transformă gazul natural în hidrogen necesar unei reacții electrochimice. 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 vaporii de apă la temperatură înaltă (900 °C) și presiune înaltă în prezența unui catalizator de nichel. În acest caz, apar următoarele reacții chimice:

CH4 (metan) + H203H2 + CO

(reacția este endotermă, cu absorbție de căldură);

CO + H20H2 + CO2

(reacția este exotermă, eliberând căldură).

Reacția globală este exprimată prin ecuația:

CH4 (metan) + 2H2O4H2 + CO2

(reacția este endotermă, cu absorbție de căldură).

Pentru a asigura temperatura ridicată necesară pentru transformarea gazului natural, o parte din combustibilul uzat din stiva de celule de combustibil este direcționată către un arzător, care menține temperatura necesară reformatorului.

Aburul necesar pentru reformare este generat din condensul generat în timpul funcționării celulei de combustie. Aceasta folosește căldura îndepărtată din bateria celulelor de combustie (Fig. 12).

Stiva de celule de combustibil produce un curent continuu intermitent, care este de joasă tensiune și de curent ridicat. Un convertor de tensiune este utilizat pentru a-l converti în curent alternativ standard industrial. În plus, unitatea de convertizor de tensiune include diverse dispozitive de control și circuite de interblocare de siguranță care permit oprirea celulei de combustibil în cazul diferitelor defecțiuni.

Într-o astfel de pilă de combustibil, aproximativ 40% din energia combustibilului poate fi convertită în energie electrică. Aproximativ aceeași cantitate, aproximativ 40% din energia combustibilului, poate fi convertită în energie termică, 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 instalatii poate ajunge la 80%.

Un avantaj important al unei astfel de surse de căldură și electricitate este posibilitatea de funcționare automată a acesteia. Pentru întreținere, proprietarii unității în 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 combustibil

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 (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 (SOFC). În prezent, cea mai mare flotă de pile de combustie se bazează pe tehnologia PAFC.

Una dintre caracteristicile cheie ale diferitelor tipuri de celule de combustibil este temperatura de funcționare. În multe privințe, temperatura este cea care determină zona de aplicare a 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 putere mare instalată, iar în același timp există posibilitatea utilizării energiei termice, astfel încât în ​​aceste scopuri pot fi utilizate și alte tipuri de celule de combustie.

Pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC)

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

Pilele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni au fost dezvoltate inițial de General Electric în anii 1960 pentru NASA. Acest tip de celulă de combustibil utilizează un electrolit polimer 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 Gemini cu echipaj.

Acest tip de pile de combustibil este folosit ca sursă de energie pentru o gamă largă de dispozitive diferite, 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 utilizate pentru a alimenta diferite tipuri de dispozitive electronice complexe. Utilizarea lor este mai puțin eficientă ca sursă de alimentare cu energie termică și electrică a clădirilor publice și industriale, unde sunt necesare volume 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.

masa 2 Tipuri de celule de combustibil

Categorie de obiect Muncitorii temperatura, °C Ieșire de eficiență electric energie),% Total Eficiență, % Pile de combustie cu membrana schimbătoare de protoni (PEMFC) 60–160 30–35 50–70 Celule de combustibil pe baza de fosfor acid (fosforic) (PAFC) 150–200 35 70–80 Pe bază de celule de combustie carbonat topit (MCFC) 600–700 45–50 70–80 Oxid solid celule de combustibil (SOFC) 700–1 000 50–60 70–80

Pile de combustie cu acid fosforic (PAFC)

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

Aceste celule de combustibil folosesc o soluție de acid fosforic ca electrolit. 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 destul de ridicată, este posibil să se utilizeze aburul generat ca urmare a funcționării. În acest caz, eficiența totală poate ajunge la 80%.

Pentru a produce energie, materia primă care conține hidrogen trebuie convertită în hidrogen pur printr-un proces de reformare. De exemplu, dacă benzina este folosită drept combustibil, este necesar să se elimine compușii care conțin sulf, deoarece sulful poate deteriora catalizatorul de platină.

Pilele de combustibil PAFC au fost primele pile de combustibil comerciale care au fost utilizate 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 energie termică și electrică în secția de poliție din Central Park din New York sau ca sursă suplimentară de energie în clădirea Conde Nast & Four Times Square. Cea mai mare instalație de acest tip este testată ca o centrală electrică de 11 MW situată în Japonia.

Pilele de combustibil cu 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 din 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 în sine, fără a utiliza un reformator separat. Acest proces a fost numit „reformă internă”. Face posibilă simplificarea semnificativă a designului celulei de combustie.

Pilele de combustie pe bază de carbonat topit necesită un timp semnificativ de pornire și nu permit ajustarea rapidă a puterii de ieșire, astfel încât principalul lor domeniu de aplicare este sursele staționare mari de energie termică și electrică. Cu toate acestea, ele se caracterizează printr-o eficiență ridicată de conversie a 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 reacționează 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 celebrului scriitor și om de știință englez din secolul al XVII-lea, a lucrat cu aceste celule, motiv pentru care celulele de combustibil MCFC sunt uneori numite celule Bacon. În programele NASA Apollo, Apollo-Soyuz și Scylab, aceste pile de combustibil au fost folosite ca sursă de alimentare cu energie (Fig. 14). În aceiași ani, departamentul militar american a testat mai multe mostre de celule de combustibil MCFC produse de Texas Instruments, care foloseau benzină de calitate militară ca combustibil. La mijlocul anilor 1970, Departamentul de Energie al SUA a început cercetările pentru a crea o pilă de combustibil staționară cu carbonat topit, potrivită pentru aplicații practice. În anii 1990, au fost introduse o serie de instalații comerciale cu putere nominală de până la 250 kW, de exemplu la US Naval Air Station Miramar din California. În 1996, FuelCell Energy, Inc. a lansat o centrală de pre-producție de 2 MW în Santa Clara, California.

Pile de combustibil cu oxid în stare solidă (SOFC)

Pilele de combustie cu oxid de stare solidă au un design simplu și funcționează la temperaturi foarte ridicate - 700-1.000 °C. Astfel de temperaturi ridicate permit utilizarea combustibilului relativ „murdar”, nerafinat. Aceleași caracteristici ca și ale pilelor de combustie pe bază de carbonat topit determină un domeniu de aplicare similar - surse staționare mari de energie termică și electrică.

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. Electrolitul cel mai des folosit este un amestec de oxid de zirconiu și oxid de calciu, dar pot fi utilizați și alți oxizi. Electrolitul formează o rețea cristalină acoperită pe ambele părți cu material poros de electrod. 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 în producția lor. Ca rezultat, celulele de combustie cu oxid de stare solidă pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, făcându-le avantajoase pentru producerea atât de energie electrică, cât și de energie 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 separat de 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 Emil Bauer și 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 al unei celule de combustibil tubulare cu oxid de stare solidă, care se așteaptă să fie disponibilă 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 SOFC au demonstrat o fiabilitate foarte ridicată. De exemplu, un prototip de celulă de combustie produs de Siemens Westinghouse a atins 16.600 de ore de funcționare și continuă să funcționeze, ceea ce o face cea mai lungă durată de viață continuă a celulei de combustibil din lume.

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

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

Orez. 1. Unele celule de combustibil

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

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

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

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

Pila de combustibil produce un curent electric de tensiune constantă care poate fi utilizat pentru a conduce motorul electric, iluminatul și alte sisteme electrice din vehicul.

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

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

1. Pile de combustibil alcaline (ALFC)

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

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

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

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

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

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

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

Una dintre trăsăturile caracteristice ale SHTE este sensibilitatea sa ridicată la CO2, care poate fi conținut în combustibil sau aer. CO2 reacționează cu electrolitul, îl otrăvește rapid și reduce foarte mult eficiența celulei de combustie. Prin urmare, utilizarea SHTE este limitată la spații închise, cum ar fi vehiculele spațiale și subacvatice; acestea funcționează cu hidrogen și oxigen pur.

2. Pile de combustibil cu carbonat topit (MCFC)

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

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

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

Reacția la anod: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e

Reacția la catod: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-

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

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

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

3. Pile de combustibil cu acid fosforic (PAFC)

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

Pilele de combustibil cu acid fosforic (ortofosforic) folosesc un electrolit pe bază de acid ortofosforic (H3PO4) la concentrații de până la 100%. Conductivitatea ionică a acidului fosforic este scăzută la temperaturi scăzute, astfel încât aceste celule de combustibil sunt utilizate la temperaturi de până la 150-220 °C.

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

Reacția la anod: 2H2 => 4H+ + 4e

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

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

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

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

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

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

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

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

Combustibilul este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, molecula de hidrogen este împărțită într-un ion de hidrogen (proton) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, iar electronii se mișcă în jurul cercului exterior și produc energie electrică. Oxigenul, care este preluat din aer, este furnizat catodului și se combină cu electroni și ioni de hidrogen pentru a forma apă. La electrozi au loc următoarele reacții: Reacția la anod: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4eReacția la catod: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH Reacția globală a celulei: 2H2 + O2 => 2H2O Comparativ cu alte tipuri de celulele de combustie, celulele de combustibil cu o membrană de schimb de protoni produc mai multă energie pentru un anumit volum sau greutate al celulei de combustibil. Această caracteristică le permite să fie compacte și ușoare. În plus, temperatura de funcționare este mai mică de 100°C, ceea ce vă permite să începeți rapid funcționarea. Aceste caracteristici, precum și capacitatea de a modifica rapid producția de energie, sunt doar câteva care fac din aceste celule de combustibil un candidat principal pentru utilizare în vehicule.

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

5. Pile de combustibil cu oxid solid (SOFC)

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

Electrolitul solid asigură o tranziție etanșă a gazului de la un electrod la altul, în timp ce electroliții lichizi sunt localizați într-un substrat poros. Purtătorul de sarcină în celulele de combustie de acest tip este ionul de oxigen (O2-). La catod, moleculele de oxigen din aer sunt separate într-un ion de oxigen și patru electroni. Ionii de oxigen trec prin electrolit și se combină cu hidrogenul, creând patru electroni liberi. Electronii sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând curent electric și căldură reziduală.

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

Reacția la catod: O2 + 4e- => 2O2-

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

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

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

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

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

Proiectarea pilelor de combustie cu oxidare directă a metanolului este similară cu proiectarea pilelor de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni (MEPFC), adică Un polimer este folosit ca electrolit, iar un ion de hidrogen (proton) este folosit ca purtător de sarcină. Dar metanolul lichid (CH3OH) se oxidează în prezența apei la anod, eliberând CO2, ioni de hidrogen și electroni, care sunt trimiși printr-un circuit electric extern, generând astfel un curent electric. Ionii de hidrogen trec prin electrolit și reacționează cu oxigenul din aer și electronii din circuitul extern pentru a forma apă la anod.

Reacția la anod: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6eReacția la catod: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O Reacția generală a elementului: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O Dezvoltarea unui astfel de celulele de combustie au fost realizate de la începutul anilor 90 ai secolului XX și puterea și eficiența lor specifică au fost crescute la 40%.

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

7. Pile de combustibil cu electroliți polimerici (PEFC)

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

8. Pile de combustibil acid solid (SFC)

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

9. Compararea celor mai importante caracteristici ale pilelor de combustie

Caracteristicile pilelor de combustie

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

10. Utilizarea pilelor de combustie în mașini

În lumina evenimentelor recente legate de supraîncălzirea, incendiile și chiar exploziile laptopurilor din vina bateriilor litiu-ion, nu se poate să nu amintească de noi tehnologii alternative, care, potrivit celor mai mulți experți, în viitor vor putea completa sau înlocuiți bateriile reîncărcabile tradiționale de astăzi. Vorbim despre noi surse de energie – pile de combustibil.

Conform unei legi empirice formulată în urmă cu 40 de ani de unul dintre fondatorii Intel, Gordon Moore, performanța procesorului se dublează la fiecare 18 luni. Bateriile nu pot ține pasul cu cipurile. Capacitatea acestora, conform experților, crește doar cu 10% pe an.

Pila de combustibil funcționează pe baza unei membrane celulare (poroase) care separă spațiile anodice și catodice ale celulei de combustibil. Această membrană este acoperită pe ambele părți cu catalizatori corespunzători. Combustibilul este furnizat anodului; în acest caz, se utilizează o soluție de metanol (alcool metilic). Ca rezultat al reacției chimice de descompunere a combustibilului, se formează sarcini libere care pătrund prin membrană până la catod. Circuitul electric este astfel închis, iar în el este creat un curent electric pentru a alimenta dispozitivul. Acest tip de celulă de combustie se numește Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Dezvoltarea pilelor de combustie a început cu mult timp în urmă, dar primele rezultate, care au dat naștere să se vorbească despre concurență reală cu bateriile litiu-ion, au fost obținute abia în ultimii doi ani.

În 2004, pe piață erau aproximativ 35 de producători pentru astfel de dispozitive, dar doar câteva companii au reușit să declare un succes semnificativ în acest domeniu. În ianuarie, Fujitsu și-a prezentat dezvoltarea - bateria avea o grosime de 15 mm și conținea 300 mg dintr-o soluție de metanol de 30%. O putere de 15 W i-a permis să alimenteze laptopul timp de 8 ore. O lună mai târziu, o companie mică, PolyFuel, a fost prima care a anunțat lansarea producției comerciale a membranelor care ar trebui să fie echipate cu surse de alimentare cu combustibil. Și deja în martie, Toshiba a demonstrat un prototip de PC mobil care funcționează cu combustibil. Producătorul a declarat că un astfel de laptop poate dura de cinci ori mai mult decât un laptop care utilizează o baterie tradițională.

În 2005, LG Chem a anunțat crearea propriei celule de combustie. Pentru dezvoltarea lui s-au cheltuit aproximativ 5 ani și 5 miliarde de dolari. Drept urmare, a fost posibil să se creeze un dispozitiv cu o putere de 25 W și o greutate de 1 kg, conectat la un laptop printr-o interfață USB și asigurând funcționarea acestuia timp de 10 ore. Anul acesta, 2006, a fost, de asemenea, marcat de o serie de evoluții interesante. În special, dezvoltatorii americani de la compania Ultracell au demonstrat o pilă de combustibil care oferă o putere de 25 W și este echipată cu trei cartușe înlocuibile cu 67 la sută metanol. Este capabil să alimenteze un laptop timp de 24 de ore. Greutatea bateriei era de aproximativ un kilogram, fiecare cartuș cântărea aproximativ 260 de grame.

Pe lângă faptul că pot oferi o capacitate mai mare decât bateriile cu ioni de litiu, bateriile cu metanol nu sunt explozive. Dezavantajele includ costul lor destul de ridicat și necesitatea de a schimba periodic cartuşele cu metanol.

Chiar dacă bateriile cu combustibil nu le înlocuiesc pe cele tradiționale, cel mai probabil vor fi folosite împreună cu acestea. Potrivit experților, piața pilelor de combustibil în 2006 va fi de aproximativ 600 de milioane de dolari, ceea ce este o cifră destul de modestă. Cu toate acestea, până în 2010, experții prevăd creșterea sa de trei ori - până la 1,9 miliarde de dolari.

Discuție despre articolul „Bateriile cu alcool le înlocuiesc pe cele cu litiu”

zemoneng

La dracu, am găsit informații despre acest dispozitiv într-o revistă pentru femei.
Ei bine, voi spune câteva cuvinte despre asta:
1: inconvenientul este ca dupa 6-10 ore de functionare va trebui sa cauti un cartus nou, care este scump. De ce ar trebui să cheltuiesc bani pe prostiile astea?
2: din câte am înțeles, după ce a primit energie din alcoolul metilic, apa ar trebui eliberată. Un laptop și apa sunt lucruri incompatibile.
3: de ce scrii în reviste pentru femei? Judecând după comentariile „Nu știu nimic.” și „Ce este asta?”, acest articol nu este la nivelul unui site dedicat FRUMOȘILOR.