Co to są ogniwa paliwowe

Elektronika mobilna co roku, jeśli nie miesiąc, staje się coraz bardziej dostępna i rozpowszechniona. Tutaj masz laptopy i urządzenia PDA, aparaty cyfrowe i telefony komórkowe oraz mnóstwo różnego rodzaju przydatnych, a nie takich urządzeń. Wszystkie te urządzenia stale zdobywają nowe funkcje, mocniejsze procesory, duże kolorowe ekrany, komunikację bezprzewodową, a jednocześnie zmniejszają swój rozmiar. Ale w przeciwieństwie do technologii półprzewodnikowych, technologie energetyczne całej tej mobilnej menażerii nie przeskakują.

Konwencjonalne akumulatory i akumulatory zdecydowanie nie wystarczą, aby zasilić najnowsze osiągnięcia w branży elektronicznej przez dłuższy czas. Bez niezawodnych i pojemnych akumulatorów utracone zostaje całe znaczenie mobilności i bezprzewodowości. Dlatego branża komputerowa pracuje coraz aktywniej nad tym problemem alternatywne źródła zasilania. I najbardziej obiecujący jest dzisiaj kierunek ogniwa paliwowe.

Podstawową zasadę działania ogniw paliwowych odkrył brytyjski naukowiec Sir William Grove w 1839 r. Jest znany jako ojciec ogniwa paliwowego. William Grove wytwarzał energię elektryczną poprzez zmianę elektroliza wody ekstrahować wodór i tlen. Po odłączeniu akumulatora od ogniwa elektrolitycznego Grove z zaskoczeniem stwierdził, że elektrody zaczęły absorbować uwolniony gaz i generować prąd. Otwarcie procesu elektrochemiczne zimne spalanie wodoru wydarzenie w sektorze energetycznym zyskało na znaczeniu, aw przyszłości tak znani elektrochemicy jak Ostwald i Nernst odegrali dużą rolę w rozwoju podstaw teoretycznych i praktycznej realizacji ogniw paliwowych i przewidzieli dla nich wspaniałą przyszłość.

Sam termin „ogniwo paliwowe” (ogniwo paliwowe) pojawił się później - zaproponował go w 1889 r. Ludwig Mond i Charles Langer, którzy próbowali stworzyć urządzenie do generowania energii elektrycznej z powietrza i gazu węglowego.

Podczas normalnego spalania tlen utlenia paliwa kopalne, a energia chemiczna paliwa jest nieskutecznie przekształcana w energię cieplną. Okazało się jednak, że można przeprowadzić reakcję utleniania, na przykład wodór z tlenem, w ośrodku elektrolitycznym i w obecności elektrod w celu uzyskania prądu elektrycznego. Na przykład, dostarczając wodór do elektrody znajdującej się w środowisku alkalicznym, otrzymujemy elektrony:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

który przechodząc przez obwód zewnętrzny, przechodzi do przeciwnej elektrody, do której wchodzi tlen i gdzie zachodzi reakcja: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Można zauważyć, że wynikowa reakcja 2H2 + O2 → H2O jest taka sama jak podczas normalnego spalania, ale w ogniwie paliwowym lub w inny sposób w generator elektrochemiczny, okazuje się, że prąd elektryczny ma wysoką sprawność i częściowo ciepło. Zauważ, że węgiel, tlenek węgla, alkohole, hydrazyna, inne substancje organiczne mogą być również stosowane jako paliwo w ogniwach paliwowych, a powietrze, nadtlenek wodoru, chlor, brom, kwas azotowy itp. mogą być stosowane jako środki utleniające.

Rozwój ogniw paliwowych trwał energicznie zarówno za granicą, jak i w Rosji, a następnie w ZSRR. Wśród naukowców, którzy wnieśli duży wkład w badania nad ogniwami paliwowymi, wymieniamy V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. W połowie ubiegłego wieku rozpoczął się nowy atak na problemy z ogniwami paliwowymi. Wynika to częściowo z pojawienia się nowych pomysłów, materiałów i technologii w wyniku badań nad obronnością.

Jednym z naukowców, który zrobił duży krok w rozwoju ogniw paliwowych, był P. M. Spiridonov. Elementy wodórowo-tlenowe Spiridonowa dał gęstość prądu 30 mA / cm2, co przez ten czas było uważane za wielkie osiągnięcie.W latach czterdziestych O. Davtyan stworzył instalację do elektrochemicznego spalania gazu generatorowego uzyskanego przez zgazowanie węgla. Z każdym metrem sześciennym objętości elementu Davtyan otrzymał 5 kW mocy.

Tak było pierwsze ogniwo paliwowe z elektrolitem stałym. Miał wysoką wydajność, ale z czasem elektrolit stał się bezużyteczny i trzeba go było wymienić. Następnie Davtyan pod koniec lat pięćdziesiątych stworzył potężną instalację, która napędza ciągnik. W tych samych latach angielski inżynier T. Bacon zaprojektował i zbudował akumulator ogniw paliwowych o łącznej pojemności 6 kW i wydajności 80%, działający na czystym wodorze i tlenie, ale stosunek mocy do ciężaru akumulatora był zbyt mały - takie elementy były nieodpowiednie do praktycznego zastosowania i zbyt drodzy.

W kolejnych latach minął czas samotników. Twórcy statku kosmicznego zainteresowali się ogniwami paliwowymi. Od połowy lat 60. w badania nad ogniwami paliwowymi zainwestowano miliony dolarów. Praca tysięcy naukowców i inżynierów pozwoliła osiągnąć nowy poziom, aw 1965 roku. ogniwa paliwowe zostały przetestowane w Stanach Zjednoczonych na statku kosmicznym Gemini 5, a następnie na statkach Apollo pod kątem lotów na Księżyc i w ramach programu Shuttle.

W ZSRR opracowano ogniwa paliwowe w NPO Kvant, również do wykorzystania w kosmosie. W tamtych latach pojawiły się już nowe materiały - stałe elektrolity polimerowe na bazie membran jonowymiennych, nowe typy katalizatorów, elektrody. A jednak gęstość prądu roboczego była niewielka - w zakresie 100-200 mA / cm2, a zawartość platyny na elektrodach wynosiła kilka g / cm2. Było wiele problemów związanych z trwałością, stabilnością i bezpieczeństwem.

Kolejny etap szybkiego rozwoju ogniw paliwowych rozpoczął się w latach 90. w zeszłym wieku i trwa teraz. Jest to spowodowane potrzebą nowych wydajnych źródeł energii, z jednej strony z powodu globalnego problemu środowiskowego związanego z rosnącą emisją gazów cieplarnianych ze spalania paliw kopalnych, az drugiej strony zubożeniem takich paliw. Ponieważ woda jest końcowym produktem spalania wodoru w ogniwie paliwowym, są one uważane za najczystsze z punktu widzenia wpływu na środowisko. Głównym problemem jest jedynie znalezienie skutecznego i niedrogiego sposobu wytwarzania wodoru.

Miliardy inwestycji finansowych w rozwój ogniw paliwowych i generatorów wodoru powinny doprowadzić do przełomu technologicznego i sprawić, by ich wykorzystanie w życiu codziennym stało się rzeczywistością: w telefonach komórkowych, samochodach, elektrowniach. Już teraz giganci motoryzacyjni, tacy jak Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors, demonstrują samochody i autobusy zasilane ogniwami paliwowymi o mocy 50 kW. Rozwinęło się wiele firm Elektrownie ogniw paliwowych na paliwo stałe instalacje demonstracyjne do 500 kW. Jednak pomimo znaczącego przełomu w poprawie wydajności ogniw paliwowych wciąż pozostaje wiele problemów związanych z ich kosztami, niezawodnością i bezpieczeństwem.

W ogniwie paliwowym, w przeciwieństwie do akumulatorów i akumulatorów, zarówno paliwo, jak i utleniacz są zasilane z zewnątrz. Ogniwo paliwowe jest jedynie mediatorem w reakcji i w idealnych warunkach może działać prawie zawsze. Piękno tej technologii jest takie w rzeczywistości paliwo jest spalane w elemencie, a uwolniona energia jest bezpośrednio przekształcana w elektryczność. Przy bezpośrednim spalaniu paliwo utlenia się tlenem, a ciepło wytworzone w tym procesie jest wykorzystywane do wykonania pożytecznej pracy.

W ogniwie paliwowym, podobnie jak w akumulatorach, reakcje utleniania paliwa i redukcji tlenu są rozdzielone przestrzennie, a proces „spalania” przebiega tylko wtedy, gdy ogniwo oddaje prąd do obciążenia. To jest jak generator oleju napędowego, tylko bez oleju napędowego i generatora. A także bez dymu, hałasu, przegrzania i ze znacznie większą wydajnością. To ostatnie tłumaczy się tym, że po pierwsze nie ma pośrednich urządzeń mechanicznych, a po drugie ogniwo paliwowe nie jest silnikiem cieplnym, a zatem nie jest zgodne z prawem Carnota (to znaczy o jego wydajności nie decyduje różnica temperatur).

Tlen jest stosowany jako czynnik utleniający w ogniwach paliwowych. Co więcej, ponieważ tlen wystarcza w powietrzu, nie trzeba martwić się o dostawy środka utleniającego. Jeśli chodzi o paliwo, jest to wodór. Tak więc reakcja zachodzi w ogniwie paliwowym:

2H2 + O2 → 2H2O + prąd + ciepło.

Rezultatem jest użyteczna energia i para wodna. Najprostszy w swojej konstrukcji jest ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (patrz rysunek 1). Działa w następujący sposób: wodór wchodzący do pierwiastka rozkłada się pod działaniem katalizatora na elektrony i dodatnio naładowane jony wodorowe H +. W grę wchodzi specjalna membrana, działająca tutaj jako elektrolit w konwencjonalnej baterii. Ze względu na swój skład chemiczny przepuszcza przez siebie protony, ale zatrzymuje elektrony. Tak więc elektrony zgromadzone na anodzie wytwarzają nadmiar ładunku ujemnego, a jony wodoru wytwarzają ładunek dodatni na katodzie (napięcie na elemencie wynosi około 1V).

Aby wytworzyć dużą moc, ogniwo paliwowe składa się z wielu ogniw. Jeśli włączysz element do ładunku, elektrony przepłyną przez niego do katody, wytwarzając prąd i kończąc proces utleniania wodoru za pomocą tlenu. Jako katalizator w takich ogniwach paliwowych zwykle stosuje się platynowe mikrocząstki osadzone na włóknie węglowym. Ze względu na swoją budowę taki katalizator dobrze przepuszcza gaz i energię elektryczną. Membrana jest zazwyczaj wykonana z polimeru Nafion zawierającego siarkę. Grubość membrany jest równa dziesiątym części milimetra. Oczywiście podczas reakcji uwalniane jest również ciepło, ale nie jest tak duże, że temperatura robocza jest utrzymywana w zakresie 40–80 ° C.

Ryc.1. Zasada działania ogniwa paliwowego

Istnieją inne rodzaje ogniw paliwowych, różniących się głównie rodzajem zastosowanego elektrolitu. Prawie wszystkie z nich wymagają wodoru jako paliwa, więc powstaje logiczne pytanie: gdzie go zdobyć. Oczywiście byłoby możliwe użycie sprężonego wodoru z butli, ale natychmiast pojawiają się problemy związane z transportem i magazynowaniem tego wysoce łatwopalnego gazu pod wysokim ciśnieniem. Oczywiście można stosować wodór w postaci związanej, jak w akumulatorach metalowo-wodorkowych. Nadal jednak pozostaje zadanie jego wydobycia i transportu, ponieważ infrastruktura stacji paliw wodorowych nie istnieje.

Istnieje jednak również rozwiązanie - ciekłe paliwo węglowodorowe może być stosowane jako źródło wodoru. Na przykład alkohol etylowy lub metylowy. To prawda, że ​​wymagane jest już specjalne dodatkowe urządzenie - konwerter paliwa, który przekształca alkohole w mieszaninę gazowego H2 i CO2 w wysokiej temperaturze (dla metanolu będzie to około 240 ° C). Ale w tym przypadku już trudniej jest myśleć o przenośności - takie urządzenia są dobrze używane jako stacjonarne lub alternatory samochodoweAle w przypadku kompaktowego sprzętu mobilnego potrzebujesz czegoś mniej uciążliwego.

I tutaj dochodzimy do tego urządzenia, którego rozwój prawie wszyscy najwięksi producenci elektroniki angażują się ze straszliwą siłą - ogniwo paliwowe z metanolu (rysunek 2).

Ryc. 2. Zasada działania ogniwa paliwowego na metanolu

Podstawową różnicą między wodorem a metanolem w elementach wypełniających jest zastosowany katalizator. Katalizator w ogniwie paliwowym metanolu umożliwia usuwanie protonów bezpośrednio z cząsteczki alkoholu.Tak więc problem paliwa został rozwiązany - alkohol metylowy jest produkowany masowo dla przemysłu chemicznego, jest łatwy do przechowywania i transportu, a do ładowania ogniwa paliwowego metanol wystarczy po prostu wymienić wkład na paliwo. To prawda, że ​​jest jeden znaczący minus - metanol jest toksyczny. Ponadto wydajność ogniwa paliwowego z metanolu jest znacznie niższa niż ogniwa wodorowego.

Ryc. 3. Ogniwo paliwowe metanolowe

Najbardziej kuszącą opcją jest stosowanie alkoholu etylowego jako paliwa, ponieważ produkcja i dystrybucja napojów alkoholowych o dowolnym składzie i mocy jest dobrze znana na całym świecie. Jednak wydajność ogniw paliwowych z etanolem jest niestety nawet niższa niż w przypadku metanolu.

Jak już zauważono przez wiele lat rozwoju w dziedzinie ogniw paliwowych, zbudowano różne rodzaje ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe są klasyfikowane według elektrolitu i rodzaju paliwa.

1. Stały polimerowy elektrolit wodór-tlen.

2. Stałe ogniwa paliwowe z metanolu i metanolu.

3. Pierwiastki na elektrolicie alkalicznym.

4. Ogniwa paliwowe z kwasem fosforowym.

5. Ogniwa paliwowe na stopionych węglanach.

6. Ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym.

Idealnie sprawność ogniw paliwowych jest bardzo wysoka, ale w rzeczywistych warunkach występują straty związane z procesami nierównowagowymi, takie jak straty omowe z powodu przewodnictwa elektrolitu i elektrod, polaryzacja aktywacji i koncentracji, straty dyfuzyjne. W rezultacie część energii wytwarzanej w ogniwach paliwowych zamienia się w ciepło. Wysiłki specjalistów mają na celu zmniejszenie tych strat.

Głównym źródłem strat omowych, a także przyczyną wysokiej ceny ogniw paliwowych, są perfluorowane membrany sulfokonowymienno-jonowe. Teraz szukamy alternatywnych, tańszych polimerów przewodzących protony. Ponieważ przewodnictwo tych membran (elektrolitów stałych) osiąga dopuszczalną wartość (10 Ohm / cm) tylko w obecności wody, gazy dostarczane do ogniwa paliwowego muszą być dodatkowo zwilżone w specjalnym urządzeniu, co również powoduje, że system jest droższy. W katalitycznych elektrodach dyfuzyjnych stosuje się głównie platynę i niektóre inne metale szlachetne, a jak dotąd nie znaleziono ich zamiennika. Chociaż zawartość platyny w ogniwach paliwowych wynosi kilka mg / cm2, w przypadku dużych akumulatorów jej ilość sięga dziesiątek gramów.

Podczas projektowania ogniw paliwowych wiele uwagi poświęca się systemowi odprowadzania ciepła, ponieważ przy wysokich gęstościach prądu (do 1 A / cm2) układ sam się nagrzewa. Do chłodzenia stosuje się wodę krążącą w ogniwie paliwowym przez specjalne kanały, a przy niskich wydajnościach stosuje się nadmuch powietrza.

Tak więc nowoczesny system generatora elektrochemicznego, oprócz samego akumulatora ogniwa paliwowego, „rośnie” wraz z wieloma urządzeniami pomocniczymi, takimi jak: pompy, sprężarka do zasilania powietrzem, wlot wodoru, nawilżacz gazu, jednostka chłodząca, system kontroli wycieków gazu, przetwornica DC / AC, procesor sterujący itd. Wszystko to prowadzi do tego, że koszt systemu ogniw paliwowych w latach 2004-2005 wynosił 2-3 tysiące USD / kW. Według ekspertów ogniwa paliwowe będą dostępne do użytku w transporcie i elektrowniach stacjonarnych w cenie 50-100 $ / kW.

Aby wprowadzić ogniwa paliwowe w codziennym życiu, wraz z tańszymi komponentami, należy oczekiwać nowych oryginalnych pomysłów i podejść. W szczególności duże nadzieje wiążą się ze stosowaniem nanomateriałów i nanotechnologii. Na przykład ostatnio kilka firm ogłosiło utworzenie super wydajnych katalizatorów, w szczególności elektrody tlenowej opartej na skupiskach nanocząstek różnych metali. Ponadto pojawiły się doniesienia o konstrukcji pozbawionych membrany ogniw paliwowych, w których paliwo płynne (np. Metanol) jest dostarczane do ogniwa paliwowego wraz ze środkiem utleniającym.Ciekawą koncepcją jest także rozwinięta koncepcja elementów biopaliw działających w zanieczyszczonych wodach i zużywających rozpuszczony tlen jako czynnik utleniający oraz zanieczyszczenia organiczne jako paliwo.

Według ekspertów ogniwa paliwowe wejdą na rynek masowy w nadchodzących latach. Rzeczywiście, programiści pokonują problemy techniczne jeden po drugim, informują o sukcesach i prezentują prototypy ogniw paliwowych. Na przykład Toshiba zademonstrowała gotowy prototyp ogniwa paliwowego z metanolu. Ma wymiary 22 x 56 x 4,5 mm i daje moc rzędu 100 mW. Jedno tankowanie w 2 kostkach stężonego (99,5%) metanolu wystarcza na 20 godzin pracy odtwarzacza MP3. Toshiba wydała komercyjne ogniwo paliwowe do zasilania telefonów komórkowych. Ponownie ten sam Toshiba zademonstrował element do zasilania laptopów o wymiarach 275 x 75 x 40 mm, umożliwiając komputerowi pracę przez 5 godzin od jednego tankowania.

Inna japońska firma, Fujitsu, nie jest daleko w tyle za Toshibą. W 2004 r. Wprowadziła również pierwiastek działający na 30% wodny roztwór metanolu. Ogniwo paliwowe pracowało przy jednym tankowaniu w 300 ml przez 10 godzin i jednocześnie dawało moc 15 watów.

Casio opracowuje ogniwo paliwowe, w którym metanol jest najpierw przetwarzany na mieszaninę gazowego H2 i CO2 w miniaturowym konwertorze paliwa, a następnie wprowadzany do ogniwa paliwowego. Podczas demonstracji prototyp Casio zasilał laptopa przez 20 godzin.

Samsung odnotowano również w dziedzinie ogniw paliwowych - w 2004 r. Zademonstrował prototyp 12 W przeznaczony do zasilania laptopa. Ogólnie rzecz biorąc, Samsung spodziewa się używać ogniw paliwowych, przede wszystkim w smartfonach czwartej generacji.

Muszę powiedzieć, że japońskie firmy zasadniczo bardzo dokładnie podeszły do ​​rozwoju ogniw paliwowych. W 2003 r. Firmy takie jak Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony i Toshiba połączyły siły, aby opracować wspólny standard ogniw paliwowych dla laptopów, telefonów komórkowych, urządzeń PDA i innych urządzeń elektronicznych. Amerykańskie firmy, które są również liczne na tym rynku, pracują głównie na podstawie umów z wojskiem i opracowują ogniwa paliwowe dla elektryfikujących amerykańskich żołnierzy.

Niemcy nie są daleko w tyle - Smart Fuel Cell sprzedaje ogniwa paliwowe do zasilania biura mobilnego. Urządzenie nosi nazwę Smart Fuel Cell C25, ma wymiary 150 x 112 x 65 mm i może wytwarzać do 140 watów godzin na jednej stacji benzynowej. To wystarczy, aby zasilić laptopa przez około 7 godzin. Następnie kasetę można wymienić i można kontynuować pracę. Rozmiar kartridża z metanolem wynosi 99 x 63 x 27 mm i waży 150 g. Sam system waży 1,1 kg, więc nie można nazwać go absolutnie przenośnym, ale wciąż jest to kompletne i wygodne urządzenie. Firma opracowuje również moduł paliwowy do zasilania profesjonalnych kamer wideo.

Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe prawie weszły na rynek elektroniki mobilnej. Producenci muszą rozwiązać najnowsze problemy techniczne przed rozpoczęciem masowej produkcji.

Po pierwsze, konieczne jest rozwiązanie problemu miniaturyzacji ogniw paliwowych. W końcu im mniejsze ogniwo paliwowe, tym mniej mocy będzie w stanie oddać - dlatego stale opracowywane są nowe katalizatory i elektrody, które przy małych rozmiarach pozwalają zmaksymalizować powierzchnię roboczą. W tym momencie bardzo aktualne są najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nanotechnologii i nanomateriałów (na przykład nanorurki). Ponownie, aby zminiaturyzować orurowanie elementów (pompy paliwowe i wodne, układy chłodzenia i konwersji paliwa), coraz częściej stosuje się postępy mikroelektromechaniczne.

Drugim ważnym problemem, który należy rozwiązać, jest cena. Rzeczywiście, jako katalizator w większości ogniw paliwowych stosuje się bardzo drogą platynę.Ponownie niektórzy producenci starają się w pełni wykorzystać już dobrze opracowaną technologię krzemową.

Jeśli chodzi o inne obszary zastosowania ogniw paliwowych, ogniwa paliwowe są już tam dobrze ugruntowane, chociaż nie stały się jeszcze głównym nurtem w sektorze energetycznym ani w transporcie. Już wielu producentów samochodów zaprezentowało swoje samochody koncepcyjne zasilane ogniwami paliwowymi. W kilku miastach na całym świecie kursują autobusy z ogniwami paliwowymi. Canadian Ballard Power Systems produkuje szereg generatorów stacjonarnych o mocy od 1 do 250 kW. Jednocześnie generatory kilowatowe są zaprojektowane do natychmiastowego zaopatrzenia jednego mieszkania w energię elektryczną, ciepło i ciepłą wodę.

Zobacz także: Alternatywne źródła energii