Шта су горивне ћелије

Мобилна електроника сваке године, ако не и месец дана, постаје све доступнија и распрострањенија. Овде имате лаптопове, ПДА уређаје, дигиталне фотоапарате и мобилне телефоне, и мноштво корисних и не баш тако добрих уређаја. Сви ови уређаји непрестано добијају нове функције, моћније процесоре, велике екране у боји, бежичну комуникацију, истовремено смањујући величину. Али, за разлику од технологија полуводича, енергетске технологије ове ове мобилне мреже не иду скоком и границом.

Конвенционалне пуњиве батерије и батерије очигледно нису довољне за напајање најновијих достигнућа у индустрији електронике за било које значајно време. А без поузданих и просторних батерија, читав смисао мобилности и бежичне мреже се губи. Тако рачунарска индустрија све активније ради на проблему алтернативни извори напајања. А најперспективнији, данас, правац је горивне ћелије.

Основни принцип рада горивних ћелија открио је британски научник Сир Виллиам Грове 1839. године. Познат је као отац горивне ћелије. Виллиам Грове је производио струју мењајући електролиза воде за екстракцију водоника и кисеоника. Искључивши батерију из електролитичке ћелије, Грове је изненађен откривши да електроде почињу да апсорбују ослобођени гас и стварају струју. Отварање процеса електрохемијско хладно сагоревање водоника догађај у енергетском сектору постао је значајан, а у будућности су такви познати електрохемичари као Оствалд и Нернст играли велику улогу у развоју теоријских основа и практичној примени горивних ћелија и предвиђали им велику будућност.

Себе израз "горивна ћелија" (горивна ћелија) појавила се касније - то су 1889. године предложили Лудвиг Монд и Цхарлес Лангер, који су покушали да направе уређај за производњу електричне енергије из ваздуха и угљеног гаса.

Током нормалног сагоревања, кисеоник оксидира фосилна горива, а хемијска енергија горива се неефикасно претвара у топлотну енергију. Али показало се да је могуће спровести оксидациону реакцију, на пример, водоник са кисеоником, у електролитном медијуму и у присуству електрода да би се добила електрична струја. На пример, снабдевањем водоника електродом која се налази у алкалном медијуму, добијамо електроне:

2Х2 + 4ОХ- → 4Х2О + 4е-

који пролазећи кроз спољни круг прелазе у супротну електроду, до које улази кисеоник и где се одвија реакција: 4е- + О2 + 2Х2О → 4ОХ-

Може се видети да је резултирајућа реакција 2Х2 + О2 → Х2О иста као и код нормалног сагоревања, али у горивној ћелији или на неки други начин у електрохемијски генератор, испоставило се да електрична струја има високу ефикасност и делимично топлоту. Запазите то угљен, угљен моноксид, алкохоли, хидразин, друге органске материје се такође могу користити као гориво у горивним ћелијама, а ваздух, водоник пероксид, хлор, бром, азотна киселина итд. могу се користити као оксиданти.

Развој горивних ћелија интензивно се наставио и у иностранству и у Русији, и даље у СССР-у. Међу научницима који су дали велики допринос у проучавању горивних ћелија, помињемо В. Зхако-а, П. Иаблоцхков-а, Ф. Бацона, Е. Бауера, Е. Јусти-ја, К. Цордес-а. Средином прошлог века почео је нови напад на проблеме са горивним ћелијама. Ово је делом последица појаве нових идеја, материјала и технологија као резултата одбрамбених истраживања.

Један од научника који је направио велики корак у развоју горивних ћелија био је П. М. Спиридонов. Елементи водоника и кисеоника Спиридонова дао је густину струје од 30 мА / цм2, што се за то време сматрало великим достигнућем.У четрдесетим годинама О. Давтиан је створио инсталацију за електрохемијско сагоревање генератора гаса добијеног гасификацијом угља. Давтиан је уз сваки кубни метар запремине елемената добио 5 кВ снаге.

То је било прва крута ћелија за електролит. Имао је високу ефикасност, али с временом је електролит постао неупотребљив и морао је да се промени. Након тога, крајем педесетих година, Давтиан је створио снажну инсталацију која покреће трактор. Исте године енглески инжењер Т. Бацон дизајнирао је и изградио батерију за горивне ћелије укупног капацитета 6 кВ и ефикасности од 80%, радећи на чистом водонику и кисеонику, али однос снаге и тежине батерије био је премали - такви елементи су били неприкладни за практичну употребу и превише драги моји.

У годинама које су уследиле је прошло. Креатори свемирских летелица заинтересовали су се за ћелије са горивом. Од средине 60-их, милиони долара уложено су у истраживање горивних ћелија. Рад хиљада научника и инжењера омогућио је достизање новог нивоа и 1965. горивне ћелије тестиране су у Сједињеним Државама на свемирском броду Гемини 5, а касније и на бродовима Аполло за летове до Месеца и у оквиру програма Схуттле.

У СССР-у су горивне ћелије развијене у НПО Квант, такође за употребу у свемиру. Тих година су се већ појавили нови материјали - чврсти полимерни електролити на бази мембрана за измену јона, нове врсте катализатора, електроде. Па ипак, густина радне струје је била мала - у опсегу 100-200 мА / цм2, а садржај платине на електродама био је неколико г / цм2. Било је пуно проблема повезаних са издржљивошћу, стабилношћу и сигурношћу.

Следећа фаза брзог развоја горивних ћелија почела је 90-их година. прошлог века и наставља се сада. То је узроковано потребом за новим ефикасним изворима енергије, с једне стране, глобалним проблемом заштите животне средине због све већих емисија гасова са ефектом стаклене баште изгарањем фосилних горива, а с друге стране, исцрпљивањем таквих горива. Пошто је вода крајњи производ сагоревања водоника у горивној ћелији, они се сматрају најчишћим са становишта утицаја на животну средину. Главни проблем је само пронаћи ефикасан и јефтин начин за производњу водоника.

Милијарде финансијских улагања у развој горивих ћелија и хидрогенератора требало би да доведу до технолошког напретка и да њихову употребу у свакодневном животу постану реалношћу: у ћелијама мобилних телефона, аутомобилима, електранама. Већ аутомобилски дивови као што су Баллард, Хонда, Даимлер Цхрислер, Генерал Моторс демонстрирају аутомобиле и аутобусе који раде на 50кВ горивим ћелијама. Бројне компаније су се развиле Постројења за демонстрацију електролита на крутим горивима до 500 кВ. Али, и поред значајног напретка у побољшању перформанси горивних ћелија, многи проблеми и даље морају да се реше у вези са њиховим трошковима, поузданошћу и сигурношћу.

У горивној ћелији, за разлику од батерија и акумулатора, и гориво и оксидатор испоручују се споља. Горивна ћелија је само посредник у реакцији и под идеалним условима би могла радити готово заувек. Лепота ове технологије је у томе у ствари, гориво се у елементу сагорева, а ослобођена енергија се директно претвара у електричну енергију. При директном сагоревању горива он се оксидује кисеоником, а топлота која се ствара у овом процесу користи се за довршавање корисних послова.

У горивној ћелији, као и у батеријама, реакције оксидације горива и смањења кисеоника се просторно раздвајају, а процес „сагоревања“ одвија се само ако ћелија одаје струју оптерећењу. Као да је дизел генератор, само без дизела и генератора. Такође, без дима, буке, прегревања и са много већом ефикасношћу. Ово последње се објашњава чињеницом да, прво, не постоје средњи механички уређаји и, друго, горивна ћелија није топлотни мотор и стога не поштује Царнотов закон (то јест, његова ефикасност није одређена температурном разликом).

Кисик се користи као оксидант у горивним ћелијама. Штавише, пошто је кисеоника сасвим довољно у ваздуху, нема потребе да се бринете о снабдевању оксидантом. Што се тиче горива, то је водоник. Дакле, реакција се јавља у горивној ћелији:

2Х2 + О2 → 2Х2О + струја + топлота.

Резултат је корисна енергија и водена пара. Најједноставнији је у свом дизајну протонска мембрана за гориво (види слику 1). Дјелује на сљедећи начин: водоник који улази у елемент разграђује се под дјеловањем катализатора у електроне и позитивно набијене јоне водика Х +. Тада долази у игру посебна мембрана која овде делује као електролит у уобичајеној батерији. Због свог хемијског састава, протони пролазе кроз себе, али задржавају електроне. Дакле, електрони акумулирани на аноди стварају вишак негативног набоја, а јони водоника стварају позитиван набој на катоди (напон на елементу је око 1В).

Да би се створила велика снага, горивна ћелија је састављена из више ћелија. Ако у оптерећење укључите елемент, електрони кроз њега тече до катоде стварајући струју и завршавајући процес оксидације водоника кисеоником. Као катализатор у таквим горивним ћелијама обично се користе микро-честице платине одложене на угљеничним влакнима. Такав катализатор због своје структуре добро пролази гас и струју. Мембрана је обично направљена од Нафион полимера који садржи сумпор. Дебљина мембране је једнака десетинама милиметра. Током реакције, наравно, ослобађа се и топлота, али то није толико, тако да се радна температура одржава у распону од 40-80 ° Ц.

Сл. 1 Принцип рада горивне ћелије

Постоје и друге врсте горивних ћелија, које се углавном разликују у врсти електролита који се користе. Скоро сви требају водоник као гориво, па се поставља логично питање: где га набавити. Наравно, било би могуће користити компримовани водоник из боца, али тада одмах настају проблеми повезани са транспортом и складиштењем овог високо запаљивог гаса под високим притиском. Наравно, можете користити водоник у везаном облику као у метал-хидридним батеријама. Али и даље остаје задатак његове вађења и транспорта, јер не постоји инфраструктура водоничних бензинских станица.

Међутим, и овде постоји решење - течно гориво угљоводоника може се користити као извор водоника. На пример, етил или метил алкохол. Истина, овде је већ потребан посебан додатни уређај - претварач горива који алкохол претвара у мешавину гасовитих Х2 и ЦО2 при високим температурама (за метанол ће бити негде око 240 ° Ц). Али у овом случају је већ теже размишљати о преносивости - такви уређаји се добро користе као стационарни или ауто алтернатораАли за компактну мобилну опрему потребно вам је нешто мање гломазно.

И ту долазимо до тог уређаја, чијим се развојем баве готово сви највећи произвођачи електронике - метанол горивна ћелија (слика 2).

Сл. 2. Принцип рада горивне ћелије на метанолу

Темељна разлика између елемената за пуњење водоника и метанола је коришћени катализатор. Катализатор у метанол горивој ћелији омогућава протоне уклањање директно из молекула алкохола.Стога се решава питање горива - метилни алкохол се производи у масовној производњи за хемијску индустрију, лако се складишти и транспортује, а за пуњење метанол горивне ћелије, довољно је да једноставно замените уложак горивом. Истина, постоји један значајан минус - метанол је токсичан. Поред тога, ефикасност метанол горивне ћелије је значајно мања од ефикасности водоничне.

Сл. 3. Метанол горивна ћелија

Највише примамљива опција је употреба етил-алкохола као горива, јер је производња и дистрибуција алкохолних пића било којег састава и јачине добро успостављена широм света. Међутим, ефикасност етанолских горивних ћелија, нажалост, је чак нижа него код метанола.

Као што је већ напоменуто током дугогодишњег развоја на пољу горивих ћелија, изграђене су различите врсте горивних ћелија. Горивне ћелије су класификоване према електролиту и врсти горива.

1. Чврсти полимер хидроген-кисеонички електролит.

2. Чврсте полимерне метанол горивне ћелије.

3. Елементи алкалног електролита.

4. Горивне ћелије фосфорне киселине.

5. Горивне ћелије на растопљеним карбонатима.

6. Чврсте оксидне горивне ћелије.

У идеалном случају, ефикасност горивних ћелија је веома висока, али у стварним условима постоје губици повезани са неравновесним процесима, попут омичких губитака услед проводљивости електролита и електрода, активирања и поларизације концентрације, дифузијских губитака. Као резултат тога, део енергије која се ствара у горивним ћелијама претвара се у топлоту. Напори стручњака усмјерени су на смањење тих губитака.

Главни извор охмичких губитака, као и разлог високе цене горивних ћелија, су перфлуориране сулфокационо-јонске мембране. Сада тражимо алтернативне, јефтиније полимере који воде протоне. Будући да водљивост ових мембрана (чврсти електролити) достиже прихватљиву вредност (10 Охм / цм) само у присуству воде, гасови који се доводе у горивну ћелију морају се додатно навлажити у посебном уређају, што систем такође чини скупљим. У каталитичким електродама за дифузију гаса користе се углавном платина и неки други племенити метали, а досад није пронађена замјена. Иако је садржај платине у горивним ћелијама неколико мг / цм2, за велике батерије његова количина достиже десетине грама.

Приликом дизајнирања горивних ћелија, много се пажње посвећује систему уклањања топлоте, јер се при великим густинама струје (до 1А / цм2) систем само загрева. За хлађење се користи вода која циркулише у горивној ћелији посебним каналима, а при малим капацитетима користи се пухање ваздуха.

Дакле, савремени систем електрохемијског генератора, поред саме батерије гориве ћелије, „расте“ са многим помоћним уређајима, као што су: пумпе, компресор за довод ваздуха, довод водоника, овлаживач гаса, расхладна јединица, систем за контролу цурења гаса, ДЦ / АЦ претварач, управљачки процесор и други. Све то доводи до чињенице да је цена система горивних ћелија у периоду 2004-2005 била 2-3 хиљаде долара / кВ. Према стручњацима, горивне ћелије постаће доступне за употребу у транспорту и у стационарним електранама по цени од 50-100 долара / кВ.

За увођење горивних ћелија у свакодневни живот, заједно са јефтинијим компонентама, морате очекивати нове оригиналне идеје и приступе. Нарочито су велике наде повезане са коришћењем наноматеријала и нанотехнологија. На пример, недавно је неколико компанија најавило стварање супер ефикасних катализатора, посебно за кисеоничну електроду на основу кластера наночестица различитих метала. Поред тога, објављени су извештаји о дизајнирању горивних ћелија без мембране у којима се течно гориво (попут метанола) доводи у гориву ћелију заједно са оксидантом.Занимљив концепт је и развијени концепт елемената биогорива који делују у загађеним водама и троше растворени кисеоник као оксидант, и органских нечистоћа као горива.

Према мишљењу стручњака, горивне ћелије ће ући у масовно тржиште у наредним годинама. Заиста, програмери освајају техничке проблеме један за другим, извештавају о успесима и представљају прототипове горивних ћелија. На пример, Тосхиба је показала готов прототип метанол горива. Величине је 22к56к4,5мм и даје снагу од око 100мВ. Једно пуњење горива у 2 коцке концентрованог (99,5%) метанола довољно је за 20 сати рада МП3 плаиера. Тосхиба је пустила комерцијалну горивну ћелију за напајање мобилних телефона. Опет је исти Тосхиба демонстрирао елемент за напајање лаптопа димензија 275к75к40мм, омогућавајући рачунару да ради 5 сати од једног пуњења.

Друга јапанска компанија, Фујитсу, није далеко иза Тосхибе. 2004. године је такође увела елемент који делује на 30% водени раствор метанола. Ова горивна ћелија је радила на једном пуњењу у 300 мл 10 сати и истовремено испуштала снагу од 15 вата.

Цасио развија горивну ћелију у којој се метанол прво у минијатурном претварачу горива прерађује у мешавину гасовитих Х2 и ЦО2, а затим се убацује у ћелију горива. Током демонстрације, прототип Цасио напајао је лаптоп током 20 сати.

Самсунг је такође запажен у области горивних ћелија - 2004. године је демонстрирао свој 12 В прототип дизајниран да напаја лаптоп. Генерално, Самсунг очекује да ће користити горивне ћелије, пре свега на паметним телефонима четврте генерације.

Морам рећи да су јапанске компаније углавном врло темељно приступиле развоју горивних ћелија. Још 2003. године компаније попут Цанон, Цасио, Фујитсу, Хитацхи, Санио, Схарп, Сони и Тосхиба удружиле су снаге у развоју заједничког стандарда горивних ћелија за лаптопове, мобилне телефоне, ПДА уређаје и друге електронске уређаје. Америчке компаније, које су такође бројне на овом тржишту, углавном раде по уговорима са војском и развијају горивне ћелије за електрификацију америчких војника.

Немци нису далеко - Смарт Фуел Целл продаје горивне ћелије како би напајао мобилни уред. Уређај се зове Смарт Фуел Целл Ц25, димензија 150к112к65мм и може произвести до 140 вати-сати на једној бензинској пумпи. Ово је довољно за напајање лаптопа око 7 сати. Тада се уложак може заменити и можете наставити са радом. Величина кертриџа са метанолом је 99к63к27 мм, а тежак је 150 г. Сам систем тежи 1,1 кг, тако да га уопште не можете назвати преносивим, али то је ипак комплетан и практичан уређај. Компанија такође развија модул за гориво за напајање професионалних видео камера.

Генерално, горивне ћелије скоро су ушле на тржиште мобилне електронике. Произвођачима преостаје да реше најновије техничке проблеме пре него што започну масовну производњу.

Прво, потребно је решити питање минијатуризације горивних ћелија. Уосталом, што је мања ћелија за гориво, то ће се мање снаге моћи одавати - тако се стално развијају нови катализатори и електроде који омогућавају, у малим димензијама, максимализацију радне површине. Овде су, управо с временом, најновија достигнућа у области нанотехнологије и наноматеријала (на пример, наноцевке). Опет, за минијатуризацију цевовода елемената (пумпе за гориво и воду, системи за хлађење и конверзију горива), микроелектромеханички напредак се све више примењује.

Други важан проблем који треба решити је цена. Заиста, врло скупа платина користи се као катализатор у већини горивних ћелија.Поново, неки произвођачи покушавају да искористе што је већ добро развијена технологија силицијума.

Што се тиче осталих подручја употребе горивних ћелија, горивне ћелије су тамо већ добро успостављене, мада још нису постале главни ток у енергетском сектору или у транспорту. Већ су многи произвођачи аутомобила представили своје концептне аутомобиле на погон горивим ћелијама. У неколико градова широм света саобраћају аутобуси на горивне ћелије. Цанадиан Баллард Повер Системс производи низ стационарних генератора од 1 до 250 кВ. У исто време, киловатни генератори су дизајнирани да одмах снабдевају један стан струјом, топлотном и топлом водом.

Погледајте такође: Алтернативни извори енергије