Categories: Articles destacats » Notícies elèctriques interessants
Nombre de visualitzacions: 51203
Comentaris sobre l'article: 7
Què són les piles de combustible
L’electrònica mòbil cada any, si no és un mes, és cada cop més accessible i generalitzada. Aquí teniu ordinadors portàtils i PDA, càmeres digitals i telèfons mòbils, i un munt de tot tipus de dispositius útils i no tant. I tots aquests dispositius estan adquirint contínuament noves funcions, processadors més potents, pantalles de gran color, comunicacions sense fil, alhora que disminueixen de mida. Però, a diferència de les tecnologies de semiconductors, les tecnologies energètiques de tota aquesta menageria mòbil no passen de manera continuada.
Les bateries i les bateries recarregables convencionals no són prou per alimentar els últims avenços de la indústria electrònica durant un temps substancial. I sense bateries fiables i cabdals, es perd tot el sentit de la mobilitat i la seguretat sense fils. Així, la indústria informàtica treballa cada cop més activament en el problema fonts d'alimentació alternatives. I la més prometedora, avui, és la direcció piles de combustible.
El científic bàsic Sir William Grove va descobrir el principi bàsic de l’operació amb piles de combustible el 1839. És conegut com el pare de la pila de combustible. William Grove va generar electricitat canviant electròlisi de l’aigua per extreure hidrogen i oxigen. Després d’haver desconnectat la bateria de la cèl·lula electrolítica, Grove es va sorprendre en veure que els elèctrodes començaven a absorbir el gas alliberat i a generar corrent. Obertura del procés combustió electroquímica en fred d’hidrogen un esdeveniment al sector energètic va esdevenir significatiu i, en el futur, electroquímics tan coneguts com Ostwald i Nernst van tenir un gran paper en el desenvolupament dels fonaments teòrics i la implementació pràctica de les piles de combustible i van preveure un gran futur per a ells.
Ell mateix el terme "pila de combustible" (pila de combustible) va aparèixer més tard - va ser proposat el 1889 per Ludwig Mond i Charles Langer, que van intentar crear un dispositiu per a generar electricitat a l’aire i al gas de carbó.
Durant la combustió normal, l’oxigen oxida els combustibles fòssils i l’energia química del combustible es converteix inefectivament en energia tèrmica. Però va resultar possible dur a terme la reacció d’oxidació, per exemple, hidrogen amb oxigen, en un medi electrolit i en presència d’elèctrodes per obtenir un corrent elèctric. Per exemple, subministrant hidrogen a un elèctrode situat en un medi alcalí, obtenim electrons:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
que, passant per un circuit extern, van a l’elèctrode oposat, al qual entra l’oxigen i on té lloc la reacció: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Es pot veure que la reacció resultant 2H2 + O2 → H2O és la mateixa que durant la combustió normal, però a la pila de combustible o, en cas contrari, a generador electroquímic, resulta corrent elèctric d’alta eficiència i parcialment calor. Tingueu en compte que carbó, monòxid de carboni, alcohols, hidrazina, altres substàncies orgàniques també es poden utilitzar com a combustible a les piles de combustible, i es poden utilitzar com a agents oxidants aire, peròxid d’hidrogen, clor, brom, àcid nítric, etc.
El desenvolupament de les piles de combustible va continuar vigorosament tant a l'estranger com a Rússia, i més a l'URSS. Entre els científics que van aportar una gran contribució a l'estudi de les piles de combustible, esmentem V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. A mitjan segle passat, va començar un nou assalt als problemes de piles de combustible. Això es deu en part a l’aparició de noves idees, materials i tecnologies com a resultat de la investigació en defensa.
Un dels científics que va fer un pas important en el desenvolupament de les piles de combustible va ser P. M. Spiridonov. Elements hidrogen-oxigen de Spiridonov va donar una densitat actual de 30 mA / cm2, que per aquell moment es va considerar un gran assoliment.Als anys quaranta, O. Davtyan va crear una instal·lació per a la combustió electroquímica del generador de gas obtingut per gasificació del carbó. Amb cada metre cúbic de volum d’elements, Davtyan va rebre 5 kW de potència.
Això va ser primera pila de combustible d’electrolits sòlids. Tenia una alta eficiència, però amb el pas del temps l’electròlit es va tornar a utilitzar i es va haver de canviar. Posteriorment, a finals dels anys cinquanta, Davtyan va crear una potent instal·lació que va impulsar el tractor. En aquests mateixos anys, l’enginyer anglès T. Bacon va dissenyar i construir una pila de pila de combustible amb una capacitat total de 6 kW i una eficiència del 80%, que funcionava amb hidrogen i oxigen pur, però la relació entre la potència i el pes de la bateria era massa petita, aquests elements no eren adequats per a un ús pràctic i també. estimats.
En anys posteriors, ha passat el temps dels solitaris. Els creadors de naus espacials es van interessar per les piles de combustible. Des de mitjan anys 60, s’han invertit milions de dòlars en investigació amb piles de combustible. El treball de milers de científics i enginyers va permetre assolir un nou nivell, i el 1965. Les piles de combustible es van provar als Estats Units a la nau espacial Gemini 5, i més tard als vaixells Apollo per a vols a la Lluna i en el marc del programa Shuttle.
A l'URSS, les piles de combustible es van desenvolupar a NPO Kvant, també per utilitzar-les a l'espai. En aquells anys, ja apareixien nous materials: electròlits de polímer sòlids basats en membranes d’intercanvi d’ions, nous tipus de catalitzadors, elèctrodes. No obstant això, la densitat de corrent de treball era petita: entre 100-200 mA / cm2 i el contingut de platí dels elèctrodes era de diversos g / cm2. Hi va haver molts problemes associats a la durabilitat, l'estabilitat i la seguretat.
La següent etapa del ràpid desenvolupament de les piles de combustible va començar als anys 90. segle passat i continua ara. És originada per la necessitat de noves fonts d’energia eficients en relació amb el problema ambiental global de la creixent emissió de gasos d’efecte hivernacle procedent de la combustió de combustibles fòssils i, d’altra banda, amb l’esgotament d’aquests combustibles. Com que l’aigua és el producte final de la combustió d’hidrogen en una pila de combustible, es considera que són els més nets des del punt de vista de l’impacte ambiental. El principal problema és només trobar una manera efectiva i barata de produir hidrogen.
Les inversions financeres en el desenvolupament de piles de combustible i generadors d’hidrogen haurien de conduir a un avenç tecnològic i fer realitat el seu ús a la vida quotidiana: a les cel·lulars, als cotxes, a les centrals elèctriques. Ja els gegants de l’automòbil com Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors estan demostrant cotxes i autobusos que funcionen amb piles de combustible de 50kW. S'han desenvolupat diverses empreses plantes de demostració de piles de combustible sòlid d’electròlits de fins a 500 kW. Però, malgrat un avenç significatiu en la millora del rendiment de les piles de combustible, encara s’han de resoldre molts problemes relacionats amb el seu cost, fiabilitat i seguretat.
En una pila de combustible, a diferència de les bateries i els acumuladors, tant combustible com oxidant se subministren des de l'exterior. La pila de combustible només és un mediador en la reacció i en condicions ideals podria funcionar gairebé per sempre. La bellesa d’aquesta tecnologia és que de fet, el combustible es crema en l’element i l’energia alliberada es converteix directament en electricitat. Amb combustió directa de combustible, s’oxida per oxigen i la calor generada en aquest procés s’utilitza per completar treballs útils.
En una pila de combustible, com en les bateries, les reaccions d’oxidació de combustible i reducció d’oxigen estan separades espacialment, i el procés de “crema” continua només si la cèl·lula desprèn corrent a la càrrega. És com generador dièsel, només sense gasoil i generador. I també sense fum, soroll, sobreescalfament i amb una eficiència molt més alta. Aquest últim s’explica pel fet que, en primer lloc, no hi ha dispositius mecànics intermedis i, en segon lloc, la pila de combustible no és un motor de calor i, per tant, no compleix la llei de Carnot (és a dir, la seva eficiència no es determina per la diferència de temperatura).
L’oxigen s’utilitza com a agent oxidant a les piles de combustible. A més, com que l’oxigen és prou a l’aire, no cal preocupar-se pel subministrament d’un agent oxidant. Pel que fa al combustible, és hidrogen. Així doncs, la reacció es produeix a la pila de combustible:
2H2 + O2 → 2H2O + electricitat + calor.
El resultat és energia útil i vapor d’aigua. El més senzill en el seu disseny és Cèl·lula de combustible de membrana d’intercanvi de protons (vegeu la figura 1). Funciona de la manera següent: l’hidrogen que entra a l’element es descompon sota l’acció del catalitzador en electrons i ions d’hidrogen carregats positivament H +. Llavors entra en joc una membrana especial, actuant aquí com a electròlit en una bateria convencional. Per la seva composició química, passa protons per si mateix, però atrapa electrons. Així, els electrons acumulats a l’ànode creen un excés de càrrega negativa i els ions d’hidrogen creen una càrrega positiva al càtode (la tensió sobre l’element és d’uns 1V).
Per crear una gran potència, s’assembla una pila de combustible a partir d’una pluralitat de cèl·lules. Si incorporeu un element a la càrrega, els electrons flueixen a través del catode, creant un corrent i completant el procés d’oxidació de l’hidrogen per oxigen. Com a catalitzador d’aquestes piles combustibles, s’utilitzen normalment micropartícules de platí dipositades sobre una fibra de carboni. A causa de la seva estructura, un catalitzador fa passar gas i electricitat. La membrana està típicament feta a partir d’un polímer Nafion que conté sofre. El gruix de la membrana és igual a dècimes de mil·límetre. Durant la reacció, per descomptat, també s’allibera calor, però no ho és tant, de manera que la temperatura de funcionament es manté en l’interval de 40-80 ºC.
Fig. 1. El principi de funcionament de la pila de combustible
Hi ha altres tipus de piles de combustible, que difereixen principalment pel tipus d’electròlits emprats. Gairebé tots requereixen hidrogen com a combustible, de manera que sorgeix una pregunta lògica: on aconseguir-ho. Per descomptat, seria possible utilitzar hidrogen comprimit dels cilindres, però immediatament apareixen problemes associats al transport i emmagatzematge d’aquest gas altament inflamable a alta pressió. Per descomptat, podeu utilitzar hidrogen en forma lligada com en piles d’hidrur metàl·lic. Però, encara queda la tasca de la seva extracció i transport, perquè la infraestructura de les benzineres d’hidrogen no existeix.
No obstant això, també hi ha una solució: el combustible d'hidrocarburs líquid es pot utilitzar com a font d'hidrogen. Per exemple, alcohol etílic o metílic. És cert que aquí ja es necessita un dispositiu addicional especial: un convertidor de combustible, que converteix els alcools en una barreja de gas H2 i CO2 a alta temperatura (per al metanol es situarà al voltant dels 240 ° C). Però en aquest cas ja és més difícil pensar en la portabilitat: aquests dispositius són ben utilitzats com a estacionaris o alternadors de cotxesPerò per a equips mòbils compactes necessiteu alguna cosa menys feixuga.
I aquí arribem a aquest dispositiu, el desenvolupament del qual gairebé tots els majors fabricants d’electrònica participen amb una força terrible, pila de combustible de metanol (figura 2).
Fig. 2. El principi de funcionament de la pila de combustible sobre metanol
La diferència fonamental entre els elements d'ompliment d'hidrogen i metanol és el catalitzador utilitzat. El catalitzador de la pila de combustible de metanol permet eliminar protons directament de la molècula d’alcohol.Així, s’està solucionant el problema del combustible: l’alcohol metílic es produeix en massa per a la indústria química, és fàcil d’emmagatzemar i transportar, i per carregar una pila de combustible de metanol, n’hi ha prou amb substituir simplement el cartutx per combustible. És cert que hi ha un menys important: el metanol és tòxic. A més, l’eficiència d’una pila de combustible de metanol és significativament inferior a la d’un hidrogen.
Fig. 3. Pila de combustible de metanol
L’opció més temptadora és utilitzar l’alcohol etílic com a combustible, ja que la producció i distribució de begudes alcohòliques de qualsevol composició i força estan ben establertes arreu del món. No obstant això, l’eficiència de les piles de combustible d’etanol, malauradament, és fins i tot inferior a la del metanol.
Com ja s’ha notat durant molts anys de desenvolupament en el camp de les piles de combustible, s’han construït diversos tipus de piles de combustible. Les piles de combustible es classifiquen per electròlits i tipus de combustible.
1. Electròlit d'hidrogen-oxigen del polímer sòlid.
2. Cèl·lules de combustible de metanol de polímer sòlid.
3. Elements sobre electròlits alcalins.
4. Cèl·lules de combustible d’àcid fosfòric.
5. Piles de combustible en carbonats fos.
6. Cèl·lules de combustible d’òxid sòlid.
L’ideal és que l’eficiència de les piles de combustible sigui molt elevada, però en condicions reals hi ha pèrdues associades a processos de no equilibri, com ara pèrdues ohmiques per la conductivitat de l’electròlit i dels elèctrodes, l’activació i la polarització de concentració, pèrdues de difusió. Com a resultat d'això, part de l'energia generada a les piles de combustible es converteix en calor. Els esforços dels especialistes estan orientats a reduir aquestes pèrdues.
La principal font de pèrdues ohmiques, així com el motiu de l’elevat preu de les cèl·lules de combustible, són les membranes d’intercanvi d’ions inter-sulfocalitzades. Ara busquem polímers alternatius, conductors de protons, més barats. Com que la conductivitat d’aquestes membranes (electròlits sòlids) assoleix un valor acceptable (10 Ohm / cm) només en presència d’aigua, els gasos subministrats a la pila de combustible s’han d’humitar addicionalment en un dispositiu especial, cosa que també fa que el sistema sigui més car. En els elèctrodes de difusió de gas catalític s’utilitzen principalment platí i alguns altres metalls nobles i fins ara no s’ha trobat cap substitució. Tot i que el contingut de platí a les piles de combustible és de diversos mg / cm2, per a les bateries grans la seva quantitat arriba a desenes de grams.
Quan es dissenyen piles de combustible, es presta molta atenció al sistema d’eliminació de calor, ja que a densitats de corrent elevades (fins a 1A / cm2) el sistema s’escalfa. Per a la refrigeració, s'utilitza aigua que circula a la pila de combustible a través de canals especials, i a baixes capacitats s'utilitza bufat d'aire.
Així doncs, un sistema modern d’un generador electroquímic, a més de la pròpia pila de combustible, “creix” amb molts dispositius auxiliars, com ara: bombes, compressor per a subministrament d’aire, entrada d’hidrogen, humidificador de gas, unitat de refrigeració, sistema de control de fuites de gas, convertidor CC / CA, processador de control Tot això comporta que el cost del sistema de piles de combustible el 2004-2005 fos de 2-3 mil dòlars / kW. Segons els experts, les piles de combustible estaran disponibles per al seu ús en el transport i en centrals estacionàries a un preu de 50-100 $ / kW.
Per a la introducció de piles de combustible a la vida quotidiana, juntament amb els components més barats, cal esperar noves idees i enfocaments originals. En particular, les altes esperances estan associades a l’ús de nanomaterials i nanotecnologia. Per exemple, recentment diverses empreses van anunciar la creació de catalitzadors súper eficients, en particular, per a un elèctrode d’oxigen basat en grups de nanopartícules de diversos metalls. A més, hi ha hagut informes sobre el disseny de piles de combustible lliures de membrana en què es subministra combustible líquid (com el metanol) a la pila de combustible juntament amb un agent oxidant.Un concepte interessant és també el concepte desenvolupat d’elements de biocombustible que operen en aigües contaminades i que consumeixen oxigen dissolt com a agent oxidant i impureses orgàniques com a combustible.
Segons els experts, les piles de combustible entraran al mercat massiu en els propers anys. De fet, els desenvolupadors conquereixen problemes tècnics l’un darrere l’altre, informen dels èxits i presenten prototips de piles de combustible. Per exemple, Toshiba ha demostrat un prototip de pila de combustible de metanol. Té una mida de 22x56x4,5mm i dóna una potència de l'ordre de 100mW. Una font d’alimentació en 2 cubs de metanol concentrat (99,5%) és suficient per 20 hores de treball del reproductor MP3. Toshiba ha llançat una pila comercial de combustible per alimentar els telèfons mòbils. De nou, el mateix Toshiba va demostrar un element per alimentar ordinadors portàtils de 275x75x40mm, que permeten que l’ordinador funcioni durant 5 hores des d’un sol repostatge.
Una altra empresa japonesa, Fujitsu, no es troba molt per darrere de Toshiba. El 2004, també va introduir un element que actua sobre una solució aquosa del metanol al 30%. Aquesta pila de combustible va funcionar a una font de combustible en 300 ml durant 10 hores i, alhora, va generar una potència de 15 watts.
Casio està desenvolupant una pila de combustible en la qual el metanol es processa primer en una barreja de H2 i CO2 gasós en un convertidor de combustible en miniatura, per després ser alimentat a la pila de combustible. Durant la demostració, el prototip Casio va subministrar energia a l’ordinador portàtil durant 20 hores.
Samsung també es va destacar en el camp de les piles de combustible - el 2004 va demostrar el seu prototip de 12 W dissenyat per alimentar un ordinador portàtil. En general, Samsung espera utilitzar piles de combustible, principalment en telèfons intel·ligents de quarta generació.
He de dir que, en general, les empreses japoneses van abordar molt a fons el desenvolupament de piles de combustible. El 2003, empreses com Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba van unir esforços per desenvolupar un estàndard comú de pila de combustible per a portàtils, telèfons mòbils, PDA i altres dispositius electrònics. Les empreses nord-americanes, que també són nombroses en aquest mercat, treballen majoritàriament amb contractes amb l'exèrcit i desenvolupen piles de combustible per electrificar soldats nord-americans.
Els alemanys no queden gaire enrere - Smart Fuel Cell ven piles de combustible per alimentar una oficina mòbil. El dispositiu s’anomena Smart Fuel Cell C25, té unes dimensions de 150x112x65mm i pot produir fins a 140 watts-hores en una sola benzinera. Això és suficient per alimentar el portàtil durant unes 7 hores. Aleshores es pot substituir el cartutx i podeu continuar funcionant. La mida del cartutx amb metanol és de 99x63x27 mm i pesa 150gr. El propi sistema pesa 1,1 kg, de manera que no es pot anomenar absolutament portàtil, però, tot i així, és un dispositiu complet i convenient. La companyia també està desenvolupant un mòdul de combustible per alimentar càmeres de vídeo professionals.
En general, les piles de combustible gairebé han entrat al mercat de l'electrònica mòbil. Els fabricants queden per resoldre els darrers problemes tècnics abans d’iniciar la producció en massa.
En primer lloc, cal resoldre el problema de la miniaturització de les piles de combustible. Al cap i a la fi, com més petita sigui la pila de combustible, menys energia serà capaç de produir, de manera que es desenvolupen constantment nous catalitzadors i elèctrodes que permeten, a petites mides, maximitzar la superfície de treball. Aquí, amb el temps, són útils les darreres novetats en el camp de la nanotecnologia i els nanomaterials (per exemple, els nanotubs). De nou, per miniaturitzar la canalització d’elements (bombes de combustible i aigua, sistemes de refrigeració i conversió de combustible), s’apliquen cada cop més avenços microelectromecànics.
El segon problema important que cal abordar és el preu. De fet, com a catalitzador de la majoria de piles de combustible, s’utilitza platí molt car.Alguns fabricants intenten aprofitar de nou la tecnologia de silici ja ben desenvolupada.
Pel que fa a altres àrees d’ús de piles de combustible, les piles de combustible ja estan ben establertes, tot i que encara no s’han convertit en corrents en el sector energètic ni en el transport. Ja molts fabricants de vehicles han presentat els seus conceptes alimentats amb piles de combustible. A diverses ciutats del món, hi ha autobusos amb piles de combustible. Canadian Ballard Power Systems produeix una gamma de generadors estacionaris d'entre 1 i 250 kW. Al mateix temps, els generadors de quilowatts estan dissenyats per subministrar immediatament un pis amb electricitat, calor i aigua calenta.
Vegeu també Fonts d’energia alternatives
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: