Vad är bränsleceller

Mobil elektronik varje år, om inte en månad, blir mer tillgänglig och utbredd. Här har du bärbara datorer, handdatorer, digitala kameror och mobiltelefoner och massor av alla möjliga användbara och inte så enheter. Och alla dessa enheter förvärvar kontinuerligt nya funktioner, kraftfullare processorer, stora färgskärmar, trådlös kommunikation, samtidigt som de minskar i storlek. Men till skillnad från halvledarteknologier går inte kraftteknologierna i alla dessa mobila menagerier snabbt.

Konventionella uppladdningsbara batterier och batterier är helt klart inte tillräckliga för att driva elektronikindustrins senaste prestationer under någon betydande tid. Och utan pålitliga och rymliga batterier går hela innebörden av rörlighet och trådlöshet förlorad. Så datorindustrin arbetar mer och mer aktivt med problemet alternativa nätaggregat. Och den mest lovande, i dag, är riktningen bränsleceller.

Grundprincipen för drift av bränsleceller upptäcktes av den brittiska forskaren Sir William Grove 1839. Han är känd som far till bränslecellen. William Grove genererade el genom att byta elektrolys av vatten för att extrahera väte och syre. Efter att ha kopplat bort batteriet från den elektrolytiska cellen blev Grove förvånad över att upptäcka att elektroderna började ta upp den frigjorda gasen och generera ström. Processöppning elektrokemisk kall förbränning av väte en händelse inom energisektorn blev betydelsefull, och i framtiden spelade så välkända elektrokemister som Ostwald och Nernst en stor roll i utvecklingen av de teoretiska grunderna och den praktiska implementeringen av bränsleceller och förutspådde en stor framtid för dem.

själv termen "bränslecell" (Fuel Cell) dök upp senare - det föreslogs 1889 av Ludwig Mond och Charles Langer, som försökte skapa en anordning för att generera el från luft och kolgas.

Under normal förbränning oxiderar syre fossila bränslen och bränslets kemiska energi omvandlas ineffektivt till termisk energi. Men det visade sig vara möjligt att genomföra oxidationsreaktionen, till exempel väte med syre, i ett elektrolytmedium och i närvaro av elektroder för att erhålla en elektrisk ström. Till exempel, genom att tillföra väte till en elektrod placerad i ett alkaliskt medium erhåller vi elektroner:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

som passerar genom en extern krets till den motsatta elektroden, till vilken syre kommer in och var reaktionen äger rum: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Det kan ses att den resulterande reaktionen 2H2 + O2 → H2O är densamma som vid normal förbränning, men i bränslecellen, eller på annat sätt i elektrokemisk generator, det visar sig elektrisk ström med hög verkningsgrad och delvis värme. Observera att kol, kolmonoxid, alkoholer, hydrazin, andra organiska ämnen kan också användas som bränsle i bränsleceller, och luft, väteperoxid, klor, brom, salpetersyra etc. kan användas som oxidationsmedel.

Utvecklingen av bränsleceller fortsatte kraftigt både utomlands och i Ryssland och vidare i Sovjetunionen. Bland forskarna som gav ett stort bidrag till studien av bränsleceller nämner vi V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. I mitten av förra seklet började ett nytt angrepp på problem med bränsleceller. Detta beror delvis på uppkomsten av nya idéer, material och teknik som ett resultat av försvarsforskning.

En av forskarna som gjorde ett stort steg i utvecklingen av bränsleceller var P. M. Spiridonov. Väte-syreelement i Spiridonov gav en strömtäthet av 30 mA / cm ^, som för den tiden ansågs vara en stor prestation.På fyrtiotalet skapade O. Davtyan en installation för elektrokemisk förbränning av generatorgas som erhållits genom kolförgasning. Med varje kubikmeter elementvolym fick Davtyan 5 kW effekt.

Det var det första fasta elektrolytbränslecellen. Den hade hög verkningsgrad, men med tiden blev elektrolyten oanvändbar och den måste ändras. Därefter, i slutet av femtiotalet, skapade Davtyan en kraftfull installation som drivde traktorn. På samma år konstruerade och byggde den engelska ingenjören T. Bacon ett bränslecellsbatteri med en total kapacitet på 6 kW och en effektivitet på 80%, som arbetade på rent väte och syre, men förhållandet mellan kraft och batterivikt var för litet - sådana element var olämpliga för praktisk användning och för kära.

Påföljande år har ensamhetstiden gått. Skaparna av rymdskepp intresserade sig för bränsleceller. Sedan mitten av 60-talet har miljoner dollar investerats i bränslecellforskning. Arbetet hos tusentals forskare och ingenjörer tillät en ny nivå och 1965. bränsleceller testades i USA på rymdskeppet Gemini 5 och senare på Apollo-fartyg för flygningar till månen och under Shuttle-programmet.

I Sovjetunionen utvecklades bränsleceller vid NPO Kvant, också för användning i rymden. Under dessa år har nya material redan dykt upp - fasta polymerelektrolyter baserade på jonbytarmembran, nya typer av katalysatorer, elektroder. Och ändå var arbetsströmtätheten liten - i intervallet 100-200 mA / cm2, och platininnehållet på elektroderna var flera g / cm2. Det var många problem i samband med hållbarhet, stabilitet och säkerhet.

Nästa steg av snabb utveckling av bränsleceller började på 90-talet. förra seklet och fortsätter nu. Det orsakas av behovet av nya effektiva energikällor, å ena sidan, på grund av det globala miljöproblemet av de ökande utsläppen av växthusgaser från förbränning av fossila bränslen och å andra sidan utarmningen av sådana bränslen. Eftersom vatten är slutprodukten av vätgasförbränning i en bränslecell, anses de vara de renaste med tanke på miljöpåverkan. Det huvudsakliga problemet är bara att hitta ett effektivt och billigt sätt att producera väte.

Miljarder finansiella investeringar i utveckling av bränsleceller och vätegeneratorer bör leda till ett teknologisk genombrott och göra deras användning i vardagen till verklighet: i mobiltelefoner, i bilar, i kraftverk. Redan demonstrerar biljättar som Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors bilar och bussar som kör på 50kW bränsleceller. Ett antal företag har utvecklats demonstrationsanläggningar för fast bränsleelektrolytbränsleceller upp till 500 kW. Men trots ett betydande genombrott för att förbättra bränslecells prestanda är det nödvändigt att lösa många fler problem relaterade till deras kostnad, tillförlitlighet och säkerhet.

Till skillnad från batterier och ackumulatorer tillförs både bränsle och oxidator till utsidan från en bränslecell. Bränslecellen är bara en medlare i reaktionen och under ideala förhållanden kan den fungera nästan för evigt. Det fina med denna teknik är det i själva verket bränns bränsle i elementet och den frigjorda energin omvandlas direkt till el. Med direkt förbränning av bränsle oxideras det med syre, och värmen som genereras i denna process används för att slutföra användbart arbete.

I en bränslecell, som i batterier, separeras reaktionerna av bränsleoxidation och syre-reduktion rumsligt, och processen med att "bränna" fortsätter endast om cellen avger ström till lasten. Det är som dieselgenerator, endast utan diesel och generator. Och även utan rök, buller, överhettning och med mycket högre effektivitet. Det sistnämnda förklaras av det faktum att det för det första inte finns några mellanliggande mekaniska anordningar och för det andra att bränslecellen inte är en värmemotor och därför inte följer Carnot-lagen (det vill säga dess effektivitet bestäms inte av temperaturskillnaden).

Syre används som oxidationsmedel i bränsleceller. Eftersom syre är tillräckligt i luften, finns det ingen anledning att oroa sig för tillförseln av ett oxidationsmedel. När det gäller bränsle är det väte. Så reaktionen inträffar i bränslecellen:

2H2 + O2 → 2H2O + el + värme.

Resultatet är användbar energi och vattenånga. Det enklaste i sin design är protonbytarmembranbränslecell (se figur 1). Det fungerar enligt följande: vätet som kommer in i elementet sönderdelas under katalysatorns inverkan till elektroner och positivt laddade vätejoner H +. Sedan spelar ett speciellt membran upp och fungerar här som en elektrolyt i ett konventionellt batteri. På grund av dess kemiska sammansättning passerar den protoner genom sig själv, men den fångar elektroner. Således skapar de elektroner som ackumuleras på anoden en överskott av negativ laddning, och vätejoner skapar en positiv laddning på katoden (spänningen på elementet är ungefär 1V).

För att skapa hög effekt samlas en bränslecell från ett flertal celler. Om du inkluderar ett element i lasten, strömmar elektronerna genom den till katoden, skapar en ström och slutför processen för väteoxidation med syre. Som katalysator i sådana bränsleceller används typiskt platina-mikropartiklar avsatta på en kolfiber. På grund av dess struktur passerar en sådan katalysator gas och elektricitet väl. Membranet är typiskt tillverkat av en svavelhaltig Nafion-polymer. Membranets tjocklek är lika med en tiondels millimeter. Under reaktionen frigörs naturligtvis också värme, men det är inte så mycket, så att driftstemperaturen hålls i intervallet 40-80 ° C.

Fig. 1 Principen för drift av bränslecellen

Det finns andra typer av bränsleceller som huvudsakligen skiljer sig åt vilken typ av elektrolyt som används. Nästan alla av dem kräver väte som bränsle, så en logisk fråga uppstår: var man ska få det. Naturligtvis skulle det vara möjligt att använda komprimerat väte från cylindrar, men då är det omedelbart problem förknippade med transport och lagring av denna mycket brandfarliga gas under högt tryck. Naturligtvis kan du använda väte i bunden form som i metallhydridbatterier. Men ändå återstår uppgiften av dess utvinning och transport, eftersom infrastrukturen för vätgasstationer inte finns.

Men det finns också en lösning - flytande kolväte kan användas som väte. Till exempel etyl- eller metylalkohol. Det krävs visserligen en speciell ytterligare anordning här - en bränsleomvandlare som omvandlar alkoholer till en blandning av gasformig H2 och CO2 vid hög temperatur (för metanol kommer den att vara någonstans runt 240 ° C). Men i det här fallet är det redan svårare att tänka på portabilitet - sådana enheter används väl som stationära eller bilgeneratorerMen för kompakt mobilutrustning behöver du något mindre besvärligt.

Och här kommer vi till den enheten, vars utveckling nästan alla största tillverkare av elektronik driver med fruktansvärd kraft - metanolbränslecell (figur 2).

Fig. 2 Principen för drift av bränslecellen på metanol

Den grundläggande skillnaden mellan väte- och metanolpåfyllningselement är den använda katalysatorn. Katalysatorn i metanolbränslecellen gör att protoner kan tas bort direkt från alkoholmolekylen.Således löses frågan om bränsle - metylalkohol är massproducerad för den kemiska industrin, det är lätt att lagra och transportera, och att ladda en metanolbränslecell räcker för att helt enkelt byta ut patronen med bränsle. Det är riktigt ett betydande minus - metanol är giftigt. Dessutom är effektiviteten hos en metanolbränslecell betydligt lägre än för väte.

Fig. 3. Metanolbränslecell

Det mest frestande alternativet är att använda etylalkohol som bränsle, eftersom produktion och distribution av alkoholhaltiga drycker av vilken komposition och styrka som helst är väl etablerade över hela världen. Men effektiviteten hos etanolbränsleceller är tyvärr ännu lägre än för metanol.

Som redan noterats under många års utveckling inom bränsleceller har olika typer av bränsleceller byggts. Bränsleceller klassificeras efter elektrolyt och typ av bränsle.

1. Fast polymer väte-syreelektrolyt.

2. Fasta polymermetanolbränsleceller.

3. Element på alkalisk elektrolyt.

4. Bränsleceller för fosforsyra.

5. Bränsleceller på smälta karbonater.

6. Fastoxidbränsleceller.

Idealt är bränslecellernas effektivitet mycket hög, men under verkliga förhållanden finns förluster förknippade med icke-quilibrium-processer, såsom ohmiska förluster på grund av elektrolytens och elektrodernas konduktivitet, aktivering och koncentrationspolarisation, diffusionsförluster. Som ett resultat av detta omvandlas en del av energin som genereras i bränslecellerna till värme. Specialisternas insatser syftar till att minska dessa förluster.

Den huvudsakliga källan till ohmiska förluster såväl som orsaken till det höga priset på bränsleceller är perfluorerade sulfokationsjonbytarmembran. Nu söker de efter alternativa, billigare protonledande polymerer. Eftersom konduktiviteten för dessa membran (fasta elektrolyter) når ett acceptabelt värde (10 Ohm / cm) endast i närvaro av vatten, måste gaserna som tillförs bränslecellen fuktas ytterligare i en speciell anordning, vilket också gör systemet dyrare. I katalytiska gasdiffusionselektroder används huvudsakligen platina och vissa andra ädelmetaller, och hittills har ingen ersättning hittats. Även om platinhalten i bränslecellerna är flera mg / cm2, når mängden för stora batterier tiotals gram.

Vid design av bränsleceller ägnas stor uppmärksamhet åt värmeavlägsningssystemet, eftersom systemet vid höga strömtätheter (upp till 1A / cm2) själv värmer upp. För kylning används vatten som cirkulerar i bränslecellen genom speciella kanaler och vid låg kapacitet används luftblåsning.

Så, ett modernt system av en elektrokemisk generator, förutom bränslecellsbatteriet, "växer" med många extra enheter, såsom: pumpar, kompressor för lufttillförsel, vätgasinlopp, gasfuktare, kylenhet, gasläckage-styrsystem, DC / AC-omvandlare, styrprocessor Allt detta leder till att kostnaden för bränslecellsystemet 2004–2005 var 2-3 tusen $ / kW. Enligt experter kommer bränsleceller att bli tillgängliga för användning i transport och i stationära kraftverk till ett pris av 50-100 $ / kW.

För introduktion av bränsleceller i vardagen, tillsammans med de billigare komponenterna, måste du förvänta dig nya originella idéer och tillvägagångssätt. I synnerhet är stora förhoppningar kopplade till användningen av nanomaterial och nanoteknologi. Exempelvis tillkännagav nyligen flera företag skapandet av supereffektiva katalysatorer, särskilt för en syreelektrod baserad på kluster av nanopartiklar av olika metaller. Dessutom har rapporter rapporterats om utformningen av membranfria bränsleceller i vilka flytande bränsle (t.ex. metanol) tillförs bränslecellen tillsammans med ett oxidationsmedel.Ett intressant koncept är också det utvecklade konceptet för biobränsleelement som arbetar i förorenat vatten och konsumerar upplöst syre som ett oxidationsmedel, och organiska föroreningar som bränsle.

Enligt experter kommer bränsleceller att komma in på massmarknaden under de kommande åren. Faktum är att utvecklare erövrar tekniska problem efter varandra, rapporterar om framgångar och presenterar prototyper av bränsleceller. Till exempel har Toshiba demonstrerat en färdig prototyp av metanolbränslecell. Den har en storlek på 22x56x4.5mm och ger en effekt i storleksordningen 100 mW. En tankning i 2 kuber koncentrerad (99,5%) metanol räcker för 20 timmars arbete med en MP3-spelare. Toshiba har släppt en kommersiell bränslecell för att driva mobiltelefoner. Återigen demonstrerade samma Toshiba ett element för att driva bärbara datorer som mäter 275x75x40mm, vilket gör det möjligt för datorn att arbeta i 5 timmar från en enda tankning.

Ett annat japanskt företag, Fujitsu, ligger inte långt efter Toshiba. 2004 introducerade hon också ett element som verkar på en 30% -ig vattenlösning av metanol. Denna bränslecell arbetade vid en tankning i 300 ml i 10 timmar och gav samtidigt ut effekt på 15 watt.

Casio utvecklar en bränslecell där metanol först bearbetas till en blandning av gasformig H2 och CO2 i en miniatyrbränsleomvandlare och sedan matas in i bränslecellen. Under demonstrationen gav prototypen Casio ström till den bärbara datorn i 20 timmar.

Samsung noterades också inom bränslecellerna - 2004 demonstrerade den sin 12 W-prototyp utformad för att driva en bärbar dator. I allmänhet räknar Samsung med att använda bränsleceller, främst i fjärde generationens smartphones.

Jag måste säga att japanska företag i allmänhet mycket grundligt närmade sig utvecklingen av bränsleceller. Redan 2003 samarbetade företag som Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony och Toshiba för att utveckla en gemensam bränslecellstandard för bärbara datorer, mobiltelefoner, handdatorer och andra elektroniska enheter. Amerikanska företag, som också är många på denna marknad, arbetar mestadels under kontrakt med militären och utvecklar bränsleceller för elektrifierande amerikanska soldater.

Tyskarna är inte långt efter - Smart Fuel Cell säljer bränsleceller för att driva ett mobilkontor. Enheten kallas Smart Fuel Cell C25, den har dimensioner på 150x112x65mm och kan producera upp till 140 wattimmar på en enda bensinstation. Detta räcker för att driva den bärbara datorn i cirka 7 timmar. Sedan kan patronen bytas ut och du kan fortsätta arbeta. Storleken på patronen med metanol är 99x63x27 mm och den väger 150 g. Själva systemet väger 1,1 kg, så du kan inte kalla det absolut bärbart, men ändå är det en komplett och bekväm enhet. Företaget utvecklar också en bränslemodul för att driva professionella videokameror.

I allmänhet har bränsleceller nästan kommit in på marknaden för mobil elektronik. Tillverkarna får lösa de senaste tekniska problemen innan massproduktionen påbörjas.

För det första är det nödvändigt att lösa frågan om miniatyrisering av bränsleceller. Ju mindre bränslecellen är, desto mindre kraft kommer den att kunna ge ut - så det utvecklas ständigt nya katalysatorer och elektroder som tillåter, i små storlekar, att maximera arbetsytan. Här, precis i tid, är den senaste utvecklingen inom området nanoteknik och nanomaterial (till exempel nanorör) mycket användbar. Återigen, för att minimera rörledningen för element (bränsle- och vattenpumpar, kylnings- och bränsleomvandlingssystem) används mikroelektromekaniska framsteg allt mer.

Det andra viktiga problemet som måste lösas är priset. Faktum är att en mycket dyr platina används som katalysator i de flesta bränsleceller.Återigen försöker några av tillverkarna dra nytta av den redan väl utvecklade kiseltekniken.

När det gäller andra områden för användning av bränsleceller är bränslecellerna redan väl etablerade där, även om de ännu inte har blivit mainstream inom energisektorn eller inom transport. Många biltillverkare har redan presenterat sina bränslecellsdrivna konceptbilar. I flera städer runt om i världen kör bränslecellbussar runt. Kanadensiska Ballard Power Systems producerar en rad stationära generatorer från 1 till 250 kW. Samtidigt är kilowattgeneratorer konstruerade för att omedelbart förse en lägenhet med el, värme och varmt vatten.

Se även: Alternativa energikällor