Apakah sel-sel bahan api?

Elektronik mudah alih setiap tahun, jika tidak sebulan, menjadi lebih mudah dan meluas. Di sini anda mempunyai komputer riba, dan PDA, dan kamera digital, dan telefon bimbit, dan satu tan pelbagai jenis alat berguna dan tidak begitu. Dan semua peranti ini sentiasa memperoleh ciri-ciri baru, pemproses yang lebih berkuasa, skrin warna yang besar, komunikasi wayarles, sementara pada masa yang sama menurun dalam saiz. Tetapi, tidak seperti teknologi semikonduktor, teknologi kuasa semua penjagaan mudah alih ini tidak berjalan lompat.

Bateri dan bateri boleh dicas semula konvensional jelas tidak mencukupi untuk menguatkan kemajuan terkini dalam industri elektronik untuk sebarang masa yang besar. Dan tanpa bateri boleh dipercayai dan luas, makna keseluruhan pergerakan dan tanpa wayar hilang. Jadi industri komputer bekerja lebih dan lebih aktif pada masalah ini bekalan kuasa alternatif. Dan yang paling menjanjikan, hari ini, arahnya sel bahan api.

Prinsip asas operasi sel bahan bakar telah ditemui oleh ahli sains British Sir William Grove pada tahun 1839. Dia dikenali sebagai bapa sel bahan bakar. William Grove menjana elektrik dengan berubah elektrolisis air untuk mengeluarkan hidrogen dan oksigen. Setelah terputus bateri dari sel elektrolisis, Grove terkejut mendapati bahawa elektroda mula menyerap gas yang dikeluarkan dan menghasilkan arus. Pembukaan proses pembakaran sejuk elektrokimia hidrogen satu peristiwa di sektor tenaga menjadi penting, dan pada masa depan elektrokimia yang terkenal seperti Ostwald dan Nernst memainkan peranan besar dalam pembangunan asas teoretikal dan pelaksanaan praktikal sel bahan bakar dan meramalkan masa depan yang hebat untuk mereka.

Sendiri istilah "sel bahan bakar" (Fuel Cell) muncul kemudian - ia dicadangkan pada tahun 1889 oleh Ludwig Mond dan Charles Langer, yang cuba membuat peranti untuk menghasilkan elektrik dari udara dan gas arang batu.

Semasa pembakaran normal, oksigen mengoksidakan bahan api fosil, dan tenaga kimia bahan api tidak dapat diubah menjadi tenaga terma. Tetapi ternyata mungkin untuk menjalankan reaksi pengoksidaan, contohnya, hidrogen dengan oksigen, dalam medium elektrolit dan dengan kehadiran elektrod untuk mendapatkan arus elektrik. Sebagai contoh, membekalkan hidrogen kepada elektrod yang terletak dalam medium alkali, kita memperoleh elektron:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

yang, melalui litar luaran, pergi ke elektrod bertentangan, yang mana oksigen masuk dan di mana tindak balas berlaku: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Ia dapat dilihat bahawa tindak balas yang dihasilkan 2H2 + O2 → H2O adalah sama seperti semasa pembakaran normal, tetapi dalam sel bahan bakar, atau sebaliknya, dalam penjana elektrokimia, ternyata arus elektrik dengan kecekapan tinggi dan sebahagian haba. Perhatikan bahawa arang batu, karbon monoksida, alkohol, hidrazin, bahan organik lain juga boleh digunakan sebagai bahan bakar dalam sel bahan bakar, dan udara, hidrogen peroksida, klorin, bromin, asid nitrik dan lain-lain boleh digunakan sebagai agen pengoksida.

Pembangunan sel bahan bakar terus berleluasa di luar negara dan di Rusia, dan seterusnya di USSR. Antara saintis yang membuat sumbangan besar dalam kajian sel bahan bakar, kami menyebutkan V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. Pada pertengahan abad yang lalu, serangan baru terhadap masalah sel bahan bakar bermula. Ini sebahagiannya disebabkan oleh kemunculan idea, bahan dan teknologi baru hasil penyelidikan pertahanan.

Salah seorang saintis yang membuat langkah utama dalam pembangunan sel bahan bakar ialah P. M. Spiridonov. Unsur hidrogen-oksigen Spiridonov memberikan ketumpatan semasa 30 mA / cm2, yang pada masa itu dianggap sebagai pencapaian yang hebat.Dalam empat puluhan, O. Davtyan mencipta pemasangan untuk pembakaran elektrokimia gas penjana yang diperolehi oleh gasifikasi arang batu. Dengan setiap meter padu isipadu unsur, Davtyan menerima kuasa 5 kW.

Itulah sel bahan bakar elektrolit pertama pepejal. Ia mempunyai kecekapan tinggi, tetapi dari masa ke masa, elektrolit menjadi tidak boleh digunakan, dan ia perlu diubah. Seterusnya, pada penghujung tahun lima puluhan, Davtyan mencipta pemasangan kuat yang mendorong traktor. Pada tahun-tahun yang sama, jurutera bahasa Inggeris, T. Bacon, direka dan membina bateri sel bahan bakar dengan jumlah kapasiti sebanyak 6 kW dan kecekapan sebanyak 80%, beroperasi pada hidrogen dan oksigen tulen, tetapi nisbah tenaga bateri adalah terlalu kecil - unsur-unsur sedemikian tidak sesuai untuk kegunaan praktikal dan juga yang sayang.

Pada tahun-tahun berikutnya, masa perseorangan telah berlalu. Pencipta kapal angkasa menjadi tertarik dengan sel bahan bakar. Sejak pertengahan tahun 60-an, berjuta-juta dolar telah dilaburkan dalam penyelidikan sel bahan api. Kerja ribuan saintis dan jurutera dibenarkan mencapai tahap yang baru, dan pada tahun 1965. sel bahan api telah diuji di Amerika Syarikat di kapal angkasa Gemini 5, dan kemudian pada kapal Apollo untuk penerbangan ke Bulan dan di bawah program Shuttle.

Di USSR, sel bahan api telah dibangunkan di NPO Kvant, juga digunakan di ruang angkasa. Pada tahun-tahun itu, bahan-bahan baru sudah muncul - elektrolit polimer pepejal berdasarkan membran-pertukaran ion, jenis pemangkin baru, elektrod. Namun begitu, ketumpatan semasa kerja adalah kecil - dalam lingkungan 100-200 mA / cm2, dan kandungan platinum pada elektrod adalah beberapa g / cm2. Terdapat banyak masalah yang berkaitan dengan ketahanan, kestabilan, dan keselamatan.

Peringkat seterusnya perkembangan pesat sel bahan bakar bermula pada tahun 90-an. abad lalu dan terus sekarang. Ini disebabkan oleh keperluan untuk sumber tenaga cekap yang baru kerana, dalam satu tangan, kepada masalah alam sekitar global peningkatan pelepasan gas rumah hijau daripada pembakaran bahan api fosil dan, sebaliknya, untuk kekurangan bahan api tersebut. Oleh kerana air adalah produk akhir pembakaran hidrogen dalam sel bahan api, mereka dianggap paling bersih dari sudut pandangan kesan alam sekitar. Masalah utama hanya untuk mencari cara yang berkesan dan murah untuk menghasilkan hidrogen.

Pelaburan kewangan bilion dalam pembangunan sel bahan bakar dan penjana hidrogen harus membawa kepada kejayaan teknologi dan menjadikan penggunaannya dalam kehidupan seharian menjadi realiti: dalam sel telefon sel, dalam kereta, dalam loji janakuasa. Sudah tentu, gergasi kereta seperti Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors menunjukkan kereta dan bas yang berjalan pada sel bahan api 50 kW. Sejumlah syarikat telah berkembang bahan api bahan bakar elektrolit sel bahan api demonstrasi sehingga 500 kW. Namun, walaupun terdapat penemuan penting dalam meningkatkan prestasi sel bahan bakar, banyak masalah masih perlu diselesaikan berkaitan dengan kos, kebolehpercayaan dan keselamatan mereka.

Dalam sel bahan bakar, tidak seperti bateri dan akumulator, kedua-dua bahan api dan pengoksida dibekalkan kepadanya dari luar. Sel bahan api hanya mediator dalam tindak balas dan di bawah keadaan yang ideal ia boleh berfungsi hampir selama-lamanya. Keindahan teknologi ini adalah bahawa sebenarnya, bahan bakar dibakar dalam elemen dan tenaga yang dilepaskan terus ditukar menjadi tenaga elektrik. Dengan pembakaran langsung bahan api, ia teroksida oleh oksigen, dan haba yang dihasilkan dalam proses ini digunakan untuk menyelesaikan kerja yang berguna.

Dalam sel bahan bakar, seperti dalam bateri, tindak balas pengoksidaan bahan api dan pengurangan oksigen dipisahkan secara spasial, dan proses "pembakaran" hanya berlaku jika sel membebaskan arus ke beban. Ia seperti penjana diesel, hanya tanpa diesel dan penjana. Dan juga tanpa asap, bunyi bising, terlalu panas dan dengan kecekapan yang lebih tinggi. Yang terakhir dijelaskan oleh hakikat bahawa, pertama, tidak terdapat alat mekanik pertengahan dan, kedua, sel bahan api bukan enjin haba dan oleh itu tidak mematuhi undang-undang Carnot (iaitu kecekapannya tidak ditentukan oleh perbezaan suhu).

Oksigen digunakan sebagai agen pengoksidaan dalam sel bahan bakar. Selain itu, kerana oksigen cukup mencukupi di udara, tidak perlu risau tentang pembekalan agen pengoksidasi. Bagi bahan bakar, ia adalah hidrogen. Oleh itu, reaksi berlaku dalam sel bahan bakar:

2H2 + O2 → 2H2O + elektrik + haba.

Hasilnya adalah tenaga yang berguna dan wap air. Yang paling mudah dalam reka bentuknya ialah proton pertukaran sel bahan api membran (lihat angka 1). Ia berfungsi seperti berikut: hidrogen yang memasuki unsur tersebut terurai di bawah tindakan pemangkin ke dalam elektron dan ion hidrogen bercas positif H +. Kemudian membran khas datang ke dalam permainan, bertindak di sini sebagai elektrolit dalam bateri konvensional. Oleh kerana komposisi kimianya, ia melepaskan proton melalui dirinya sendiri, tetapi ia merangkumi elektron. Oleh itu, elektron-elektron yang terkumpul di anod mencipta cas negatif yang berlebihan, dan ion hidrogen menghasilkan caj positif pada katod (voltan pada elemen adalah kira-kira 1V).

Untuk mencipta kuasa tinggi, sel bahan api dipasang dari pelbagai sel. Jika anda memasukkan elemen dalam beban, maka elektron mengalir melaluinya ke katod, mewujudkan arus dan menyelesaikan proses oksidasi hidrogen oleh oksigen. Sebagai pemangkin dalam sel-sel bahan bakar tersebut, mikropartikel platinum yang didepositkan pada gentian karbon biasanya digunakan. Oleh kerana strukturnya, pemangkin seperti itu melepasi gas dan elektrik dengan baik. Membran biasanya dibuat daripada polimer Nafion yang mengandungi sulfur. Ketebalan membran adalah sama dengan sepersepuluh milimeter. Semasa tindak balas, tentu saja, haba juga dikeluarkan, tetapi tidak begitu banyak, supaya suhu operasi dikekalkan dalam lingkungan 40-80 ° C.

Rajah 1. Prinsip pengoperasian sel bahan bakar

Terdapat jenis sel bahan bakar lain, terutamanya yang berbeza dengan jenis elektrolit yang digunakan. Hampir semuanya memerlukan hidrogen sebagai bahan bakar, jadi soalan logik timbul: di mana untuk mendapatkannya. Sudah tentu, ia mungkin menggunakan hidrogen termos dari silinder, tetapi kemudian timbul masalah yang berkaitan dengan pengangkutan dan penyimpanan gas yang mudah terbakar ini di bawah tekanan tinggi. Sudah tentu, anda boleh menggunakan hidrogen dalam bentuk terikat seperti dalam bateri hidrida logam. Tetapi masih, tugasnya masih mengekstraksi dan pengangkutannya, kerana infrastruktur stesen minyak hidrogen tidak wujud.

Walau bagaimanapun, terdapat juga penyelesaian - bahan api hidrokarbon cecair boleh digunakan sebagai sumber hidrogen. Sebagai contoh, etil atau metil alkohol. Benar, peranti tambahan khas sudah diperlukan di sini - penukar bahan api, yang mengubah alkohol menjadi campuran gas H2 dan CO2 pada suhu tinggi (untuk metanol ia akan berada di sekitar 240 ° C). Tetapi dalam kes ini sudah lebih sukar untuk berfikir tentang kebolehgunaan - peranti sedemikian digunakan dengan baik sebagai pegun atau pengganti keretaTetapi untuk peralatan mudah alih yang padat, anda memerlukan sesuatu yang kurang rumit.

Dan di sini kita datang ke peranti itu, perkembangan yang mana hampir semua pengeluar elektronik terbesar terlibat dengan daya dahsyat - sel bahan api metanol (angka 2).

Rajah 2. Prinsip pengoperasian sel bahan bakar pada metanol

Perbezaan asas antara unsur pengisian hidrogen dan metanol adalah pemangkin yang digunakan. Pemangkin dalam sel bahan api metanol membolehkan proton dibuang terus dari molekul alkohol.Oleh itu, masalah bahan api sedang diselesaikan - metil alkohol dihasilkan secara besar-besaran untuk industri kimia, mudah disimpan dan diangkut, dan untuk menunaikan sel bahan bakar metanol, sudah cukup untuk menggantikan kartrij dengan bahan bakar. Benar, ada satu tolak penting - methanol adalah toksik. Di samping itu, kecekapan sel bahan api metanol jauh lebih rendah daripada hidrogen.

Rajah. 3. Sel bahan api metanol

Pilihan yang paling menarik adalah dengan menggunakan etil alkohol sebagai bahan bakar, kerana pengeluaran dan pengedaran minuman keras dari mana-mana komposisi dan kekuatan yang mantap di seluruh dunia. Walau bagaimanapun, kecekapan sel bahan bakar etanol, malangnya, lebih rendah daripada metanol.

Seperti yang telah diperhatikan selama bertahun-tahun pembangunan dalam bidang sel bahan bakar, pelbagai jenis sel bahan bakar telah dibina. Sel bahan api dikelaskan dengan elektrolit dan jenis bahan api.

1. Elektrolit hidrogen-oksigen polimer pepejal.

2. Sel bahan api metanol polimer pepejal.

3. Unsur-unsur elektrolit alkali.

4. Sel-sel bahan bakar asid fosforik.

5. Sel bahan api pada karbonat cair.

6. Sel bahan api oksida pepejal.

Secara idealnya, kecekapan sel bahan api sangat tinggi, tetapi dalam keadaan sebenar terdapat kerugian yang berkaitan dengan proses nonequilibrium, seperti kehilangan ohm kerana kekonduksian elektrolit dan elektrod, pengaktifan dan polarisasi tumpuan, kehilangan resapan. Hasilnya, sebahagian daripada tenaga yang dijana dalam sel-sel bahan api ditukar menjadi haba. Upaya pakar ditujukan untuk mengurangkan kerugian ini.

Sumber utama kerugian ohmik, serta alasan harga sel bahan bakar yang tinggi, adalah membran pertukaran sulfokasi-ion perfluorinated. Sekarang kita sedang mencari alternatif, polimer yang menjalankan proton yang lebih murah. Oleh kerana kekonduksian membran ini (elektrolit pepejal) mencapai nilai yang boleh diterima (10 Ohm / cm) hanya dengan kehadiran air, gas yang dibekalkan ke sel bahan bakar mesti dibasahi tambahan dalam peranti khas, yang juga menjadikan sistem lebih mahal. Dalam elektrod penyebaran gas pemangkin, terutamanya platinum dan beberapa logam mulia lain digunakan, dan setakat ini tiada penggantian telah dijumpai. Walaupun kandungan platinum dalam sel bahan api adalah beberapa mg / cm2, untuk bateri yang besar jumlahnya mencapai puluhan gram.

Apabila mereka merancang sel bahan api, banyak perhatian diberikan kepada sistem penyingkiran haba, kerana pada kepadatan semasa yang tinggi (sehingga 1A / cm2), sistem itu sendiri memanas. Untuk penyejukan, air yang beredar di sel bahan api melalui saluran khas digunakan, dan pada kapasiti yang rendah, udara bertiup digunakan.

Oleh itu, sistem penjanaan elektrokimia moden, sebagai tambahan kepada bateri sel bahan bakar itu sendiri, "berkembang" dengan banyak alat tambahan, seperti: pam, pemampat untuk bekalan udara, masuk hidrogen, pelembap gas, unit penyejukan, sistem kawalan kebocoran gas, penukar DC / AC, dll Semua ini membawa kepada hakikat bahawa kos sistem sel bahan api pada 2004-2005 adalah 2-3000 $ / kW. Menurut pakar, sel bahan bakar akan menjadi tersedia untuk digunakan dalam pengangkutan dan di loji kuasa pegun pada harga 50-100 $ / kW.

Untuk pengenalan sel bahan bakar dalam kehidupan seharian, bersama dengan komponen yang lebih murah, anda perlu mengharapkan idea dan pendekatan asal baru. Khususnya, harapan tinggi dikaitkan dengan penggunaan nanomaterials dan nanotechnology. Sebagai contoh, baru-baru ini beberapa syarikat mengumumkan penciptaan pemangkin yang cekap, khususnya, untuk elektrod oksigen berdasarkan kluster nanopartikel pelbagai logam. Di samping itu, terdapat laporan tentang reka bentuk sel-sel bahan api bebas membran di mana bahan api cecair (seperti metanol) dibekalkan ke sel bahan bakar bersama dengan agen pengoksida.Konsep yang menarik adalah konsep maju elemen biofuel yang beroperasi di perairan yang tercemar dan memakan oksigen terlarut sebagai agen pengoksida, dan kekotoran organik sebagai bahan bakar.

Menurut pakar, sel bahan bakar akan memasuki pasaran massa pada tahun-tahun mendatang. Sesungguhnya, pemaju menakluk masalah teknikal satu demi satu, melaporkan kejayaan dan prototaip sel bahan bakar. Sebagai contoh, Toshiba telah menunjukkan sel bahan api metanol prototaip yang telah siap. Ia mempunyai saiz 22x56x4.5mm dan memberikan kuasa pesanan 100mW. Satu bahan bakar dalam 2 kiub pekat (99.5%) metanol cukup untuk 20 jam kerja pemain MP3. Toshiba telah mengeluarkan sel bahan api komersial untuk membekalkan telefon bimbit. Sekali lagi, Toshiba yang sama menunjukkan satu elemen untuk menghidupkan komputer riba yang mengukur 275x75x40mm, membolehkan komputer berfungsi selama 5 jam dari pengisian bahan api tunggal.

Satu lagi syarikat Jepun, Fujitsu, tidak jauh di belakang Toshiba. Pada tahun 2004, beliau juga memperkenalkan satu elemen yang bertindak pada penyelesaian metanol berair 30%. Sel bahan api ini bekerja pada satu pengisian dalam 300 ml selama 10 jam dan pada masa yang sama memberikan kuasa 15 watt.

Casio sedang membangunkan sel bahan bakar di mana metanol pertama kali diproses menjadi campuran gas H2 dan CO2 dalam penukar bahan api kecil, dan kemudian dimasukkan ke dalam sel bahan bakar. Semasa demonstrasi, prototaip Casio memberikan kuasa kepada komputer riba selama 20 jam.

Samsung juga diperhatikan dalam bidang sel bahan bakar - pada tahun 2004, ia menunjukkan prototaip 12 W yang direka untuk kuasa komputer riba. Secara umum, Samsung menjangkakan untuk menggunakan sel bahan api, terutamanya dalam telefon pintar generasi keempat.

Saya harus mengatakan bahawa syarikat-syarikat Jepun pada umumnya sangat mendalam mendekati perkembangan sel bahan bakar. Kembali pada tahun 2003, syarikat-syarikat seperti Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony dan Toshiba bergabung untuk membangunkan standard sel bahan api biasa untuk komputer riba, telefon bimbit, PDA dan peranti elektronik lain. Syarikat-syarikat Amerika, yang juga banyak di pasaran ini, kebanyakannya bekerja di bawah kontrak dengan tentera dan membangunkan sel bahan bakar untuk menggerakkan tentera Amerika.

Orang Jerman tidak jauh di belakang - Smart Fuel Cell menjual sel bahan bakar untuk menggerakkan pejabat mudah alih. Peranti ini dikenali sebagai Smart Fuel Cell C25, ia mempunyai dimensi 150x112x65mm dan boleh menghasilkan sehingga 140 watts-jam di sebuah stesen gas tunggal. Ini cukup untuk kuasa komputer riba selama 7 jam. Kemudian kartrij boleh diganti dan anda boleh terus bekerja. Saiz kartrij dengan methanol adalah 99x63x27 mm, dan beratnya 150g. Sistem itu sendiri berat 1.1 kg, jadi anda tidak boleh memanggilnya mudah alih sama sekali, tetapi ia masih merupakan peranti lengkap dan mudah. Syarikat itu juga sedang membangunkan modul bahan api untuk menyalurkan kamera video profesional.

Selalunya, sel bahan api telah hampir memasuki pasaran elektronik mudah alih. Pengilang dibiarkan menyelesaikan masalah teknikal terkini sebelum memulakan pengeluaran besar-besaran.

Pertama, perlu menyelesaikan masalah pengurangan sel bahan bakar. Lagipun, sel bahan api yang lebih kecil, kuasa yang kurang akan dapat memberikan - pemangkin dan elektrod yang baru terus dibangunkan yang membolehkan, pada saiz kecil, untuk memaksimumkan permukaan kerja. Di sini, tepat pada waktunya, perkembangan terkini dalam bidang nanoteknologi dan nanomaterials (contohnya, nanotube) berguna. Sekali lagi, untuk meminimumkan perpipaan unsur-unsur (pam bahan api dan air, penyejukan dan sistem penukaran bahan api), kemajuan mikroelektrik mekanikal semakin banyak digunakan.

Masalah penting kedua yang perlu ditangani ialah harga. Sesungguhnya, sebagai pemangkin dalam kebanyakan sel bahan bakar, platinum sangat mahal digunakan.Sekali lagi, beberapa pengeluar cuba memanfaatkan teknologi silikon yang sudah maju.

Bagi kawasan lain penggunaan sel bahan bakar, sel-sel bahan api sudah sedia ada di sana, walaupun mereka belum menjadi arus utama dalam sektor tenaga atau pengangkutan. Sudah, banyak pengeluar kereta telah membentangkan kereta konsep bertenaga sel bahan api mereka. Di beberapa bandar raya di seluruh dunia, bas sel bahan api sedang berjalan. Canadian Ballard Power Systems menghasilkan pelbagai penjana pegun dari 1 hingga 250 kW. Pada masa yang sama, penjana kilowatt direka untuk segera membekalkan satu apartmen dengan elektrik, haba dan air panas.

Lihat juga: Sumber tenaga alternatif