Kuinka polttokennot toimivat. Mitä ovat polttokennot

SISÄÄN moderni elämä kemiallisia virtalähteitä on kaikkialla ympärillämme: näitä ovat taskulamppujen akut, matkapuhelimien akut, vetypolttokennot, joita käytetään jo joissakin autoissa. Sähkökemiallisten teknologioiden nopea kehitys voi johtaa siihen, että lähitulevaisuudessa bensiinimoottoristen autojen sijaan meitä ympäröivät vain sähköajoneuvot, puhelimet eivät enää lopu nopeasti ja jokaisessa talossa on oma polttokenno sähkögeneraattori. Yksi Uralin liittovaltion yliopiston yhteisistä ohjelmista Venäjän tiedeakatemian Uralin osaston korkean lämpötilan sähkökemian instituutin kanssa, jonka kanssa julkaisemme tämän artikkelin, on omistettu sähkökemiallisen varastoinnin ja sähkögeneraattoreiden tehokkuuden lisäämiseen. .

Nykyään niitä on monia erilaisia ​​tyyppejä akkuja, joiden joukossa on yhä vaikeampaa navigoida. Kaikille ei ole läheskään selvää, miten akku eroaa superkondensaattorista ja miksi vetypolttokennoa voidaan käyttää ilman pelkoa ympäristön vahingoittamisesta. Tässä artikkelissa puhumme siitä, kuinka kemiallisia reaktioita käytetään sähkön tuottamiseen, mikä on ero nykyaikaisten kemiallisten virtalähteiden päätyyppien välillä ja mitä mahdollisuuksia avautuu sähkökemiallisella energialla.

Kemia sähkön lähteenä

Ensin tarkastellaan, miksi kemiallista energiaa voidaan ylipäätään käyttää sähkön tuottamiseen. Asia on, että redox-reaktioissa elektronit siirtyvät kahden eri ionin välillä. Jos kaksi puolikasta kemiallinen reaktio leviävät avaruudessa siten, että hapetus ja pelkistys tapahtuvat erillään toisistaan, niin voidaan varmistaa, että yhdestä ionista irtautuva elektroni ei putoa heti toiseen, vaan kulkee ensin sille ennalta määrättyä polkua pitkin. Tätä reaktiota voidaan käyttää sähkövirran lähteenä.

Tämän konseptin toteutti ensimmäisen kerran 1700-luvulla italialainen fysiologi Luigi Galvani. Perinteisen galvaanisen kennon toiminta perustuu eriaktiivisten metallien pelkistys- ja hapettumisreaktioihin. Esimerkiksi klassinen kenno on galvaaninen kenno, jossa sinkki hapettuu ja kupari pelkistyy. Pelkistys- ja hapetusreaktiot tapahtuvat vastaavasti katodilla ja anodilla. Ja jotta kupari- ja sinkki-ionit eivät putoa "vieraalle alueelle", jossa ne voivat reagoida suoraan keskenään, anodin ja katodin väliin asetetaan yleensä erityinen kalvo. Tämän seurauksena elektrodien välille syntyy potentiaaliero. Jos yhdistät elektrodit esimerkiksi hehkulampulla, virta alkaa virrata tuloksena olevassa sähköpiirissä ja lamppu syttyy.

Kaavio galvaanisesta kennosta

Wikimedia Commons

Kemiallisen virtalähteen tärkeä komponentti on anodin ja katodin materiaalien lisäksi elektrolyytti, jonka sisällä ionit liikkuvat ja jonka rajalla kaikki sähkökemialliset reaktiot etenevät elektrodien kanssa. Tässä tapauksessa elektrolyytin ei tarvitse olla nestemäistä - se voi olla sekä polymeeriä että keraamista materiaalia.

Galvaanisen kennon suurin haittapuoli on sen rajallinen käyttöaika. Heti kun reaktio päättyy (eli koko vähitellen liukeneva anodi kuluu kokonaan), tällainen elementti lakkaa yksinkertaisesti toimimasta.

Sormi-alkaliparistot

Ladattava

Ensimmäinen askel kohti kemiallisten virtalähteiden ominaisuuksien laajentamista oli akun luominen - virtalähde, joka voidaan ladata ja siten käyttää uudelleen. Tätä varten tutkijat ehdottivat yksinkertaisesti palautuvien kemiallisten reaktioiden käyttöä. Kun akku on ensimmäistä kertaa täysin purettu, voidaan ulkoisen virtalähteen avulla käynnistää siinä tapahtunut reaktio päinvastaiseen suuntaan. Tämä palauttaa alkuperäisen tilan, jotta akkua voidaan käyttää uudelleen latauksen jälkeen.

Autojen lyijyakku

Tähän mennessä on luotu monia erilaisia ​​paristoja, jotka eroavat niissä tapahtuvan kemiallisen reaktion tyypistä. Yleisimmät akkutyypit ovat lyijyakut (tai yksinkertaisesti lyijyakut), jotka perustuvat lyijyn hapetus-pelkistysreaktioon. Tällaisilla laitteilla on melko pitkä käyttöikä, ja niiden energiankulutus on jopa 60 wattituntia kilogrammaa kohden. Vielä suositumpi vuonna Viime aikoina ovat litiumioniakut, jotka perustuvat litiumin redox-reaktioon. Nykyaikaisten litiumioniakkujen energiaintensiteetti ylittää nyt 250 wattituntia kiloa kohden.

Li-ion akku matkapuhelimeen

Litiumioniakkujen pääongelmat ovat alhainen hyötysuhde alhaisissa lämpötiloissa, nopea vanheneminen ja lisääntynyt räjähtävyys. Ja koska litiummetalli reagoi erittäin aktiivisesti veden kanssa muodostaen vetykaasua ja happea vapautuu akun palaessa, litiumioniakun spontaania palamista on erittäin vaikea käyttää perinteisillä sammutusmenetelmillä. Tällaisen akun turvallisuuden parantamiseksi ja latausajan nopeuttamiseksi tutkijat ehdottavat katodimateriaalia, joka estää dendriittisten litiumrakenteiden muodostumisen ja lisää elektrolyyttiin räjähtäviä rakenteita muodostavia aineita sekä alkuvaiheessa syttyviä komponentteja. .

Kiinteä elektrolyytti

Toisena vähemmän ilmeisenä tapana parantaa akkujen tehokkuutta ja turvallisuutta kemistit ovat ehdottaneet, ettei rajoittuisi kemiallisten virtalähteiden nestemäisiin elektrolyytteihin, vaan luotaisiin täysin kiinteän olomuodon virtalähde. Tällaisissa laitteissa ei ole lainkaan nestemäisiä komponentteja, vaan niiden välissä on kiinteän anodin, kiinteän katodin ja kiinteän elektrolyytin kerrosrakenne. Elektrolyytti suorittaa samalla kalvon toiminnon. Varauksen kantajat kiinteässä elektrolyytissä voivat olla erilaisia ​​ioneja riippuen sen koostumuksesta ja anodilla ja katodilla tapahtuvista reaktioista. Mutta ne ovat aina tarpeeksi pieniä ioneja, jotka voivat liikkua suhteellisen vapaasti kiteen läpi, esimerkiksi H + -protonit, Li + -litium-ionit tai O 2- happi-ionit.

Vetypolttokennot

Latauskyky ja erityiset turvatoimenpiteet tekevät akuista paljon lupaavamman virranlähteen kuin perinteiset akut, mutta silti jokainen akku sisältää rajoitetun määrän reagensseja ja siten rajoitettua energiaa, ja joka kerta akku on ladattava. jatkaakseen toimintaansa.

Akun tekemiseksi "äärettömäksi" on mahdollista käyttää energialähteenä ei kennon sisällä olevia aineita, vaan sen läpi erityisesti pumpattua polttoainetta. Mikä parasta, tällaiseksi polttoaineeksi soveltuu parhaiten koostumukseltaan mahdollisimman yksinkertainen, ympäristöystävällinen ja maapallolla runsaasti saatavilla oleva aine.

Sopivin tämän tyyppinen aine on vetykaasu. Sen hapettuminen ilmakehän hapella vedeksi (reaktion 2H 2 + O 2 → 2H 2 O mukaan) on yksinkertainen redox-reaktio, ja elektronien kuljetusta ionien välillä voidaan myös käyttää virtalähteenä. Tässä tapauksessa etenevä reaktio on eräänlainen käänteinen reaktio veden elektrolyysireaktioon (jossa vesi hajoaa sähkövirran vaikutuksesta hapeksi ja vedyksi), ja ensimmäistä kertaa tällaista järjestelmää ehdotettiin 1800-luvun puolivälissä.

Mutta huolimatta siitä, että piiri näyttää melko yksinkertaiselta, tehokkaan laitteen luominen tähän periaatteeseen ei ole ollenkaan triviaali tehtävä. Tätä varten on tarpeen erottaa hapen ja vedyn virtaukset avaruudessa, varmistaa tarvittavien ionien kuljetus elektrolyytin läpi ja vähentää mahdollisia energiahäviöitä kaikissa toimintavaiheissa.

Kaavio vetypolttokennon toiminnasta

Toimivan vetypolttokennon kaavio on hyvin samanlainen kuin kemiallisen virtalähteen kaavio, mutta sisältää lisäkanavia polttoaineen ja hapettimen syöttämiseksi sekä reaktiotuotteiden ja ylimääräisten kaasujen poistamiseksi. Tällaisen elementin elektrodit ovat huokoisia johtavia katalyyttejä. Kaasumaista polttoainetta (vetyä) syötetään anodille ja hapettavaa ainetta (happi ilmasta) syötetään katodille, ja kunkin elektrodin rajalla elektrolyytin kanssa tapahtuu oma puolireaktio (hapettuminen) vety ja hapen pelkistys). Tällöin itse veden muodostuminen voi polttokennotyypistä ja elektrolyyttityypistä riippuen tapahtua joko anodi- tai katoditilassa.

Toyota vetypolttokenno

Joseph Brent / flickr

Jos elektrolyytti on protoneja johtava polymeeri tai keraaminen kalvo, happo- tai alkaliliuos, niin varauksen kantaja elektrolyytissä on vetyioneja. Tässä tapauksessa molekyylivety hapetetaan anodilla vetyioneiksi, jotka kulkevat elektrolyytin läpi ja reagoivat siellä hapen kanssa. Jos happi-ioni O 2– on varauksenkantaja, kuten kiinteän oksidielektrolyytin tapauksessa, niin happi pelkistyy ioniksi katodilla, tämä ioni kulkee elektrolyytin läpi ja hapettaa vedyn anodilla muodostaen vettä ja vapaata. elektroneja.

Polttokennojen vedyn hapetusreaktion lisäksi ehdotettiin muun tyyppisten reaktioiden käyttöä. Esimerkiksi vedyn sijasta pelkistävä polttoaine voisi olla metanoli, jonka happi hapettaa hiilidioksidiksi ja vedeksi.

Polttokennotehokkuus

Huolimatta kaikista vetypolttokennojen eduista (kuten ympäristöystävällisyys, käytännössä rajaton hyötysuhde, kompakti koko ja korkea energiaintensiteetti), niillä on myös useita haittoja. Näitä ovat ennen kaikkea komponenttien asteittainen vanheneminen ja vedyn varastoinnin vaikeudet. Tiedemiehet työskentelevät nykyään näiden puutteiden poistamiseksi.

Tällä hetkellä ehdotetaan polttokennojen tehokkuuden lisäämistä muuttamalla elektrolyytin koostumusta, katalyyttielektrodin ominaisuuksia ja järjestelmän geometriaa (joka tarjoaa polttokaasujen syöttämisen haluttu kohta ja vähentää sivuvaikutuksia). Vetykaasun varastointiongelman ratkaisemiseksi käytetään platinaa sisältäviä materiaaleja, joiden kyllästämiseen esimerkiksi grafeenikalvoja.

Tämän seurauksena polttokennon vakautta ja sen yksittäisten komponenttien käyttöikää voidaan lisätä. Nyt kemiallisen energian muuntokerroin sähköenergiaksi tällaisissa kennoissa saavuttaa 80 prosenttia, ja tietyissä olosuhteissa se voi olla jopa suurempi.

Valtavat vetyenergian näkymät liittyvät mahdollisuuteen yhdistää polttokennot kokonaisiksi akuiksi ja muuttaa niistä suuritehoisiksi sähkögeneraattoreiksi. Vielä nykyäänkin vetypolttokennoilla toimivien sähkögeneraattoreiden teho on jopa useita satoja kilowatteja, ja niitä käytetään ajoneuvojen virtalähteinä.

Vaihtoehtoinen sähkökemiallinen varastointi

Klassisten sähkökemiallisten virtalähteiden lisäksi energian varastointilaitteina käytetään myös epätavallisempia järjestelmiä. Yksi näistä järjestelmistä on superkondensaattori (tai ionistori) - laite, jossa varauksen erottuminen ja kerääntyminen tapahtuu kaksinkertaisen kerroksen muodostumisen vuoksi lähellä varattua pintaa. Tällaisen laitteen elektrodi-elektrolyyttirajapinnassa erimerkkiset ionit asettuvat kahteen kerrokseen, niin sanottuun "kaksoissähköiseen kerrokseen", muodostaen eräänlaisen hyvin ohuen kondensaattorin. Tällaisen kondensaattorin kapasitanssi, eli kertyneen varauksen määrä, määräytyy elektrodimateriaalin ominaispinta-alan mukaan, joten on edullista ottaa materiaaliksi huokoisia materiaaleja, joiden ominaispinta-ala on suurin. superkondensaattorit.

Ionistorit ovat mestareita lataus-purkauskemiallisten virtalähteiden joukossa latausnopeuden suhteen, mikä on tämän tyyppisten laitteiden kiistaton etu. Valitettavasti ne ovat myös ennätyksiä purkausnopeuden suhteen. Ionistorien energiatiheys on kahdeksan kertaa pienempi kuin lyijyakkujen ja 25 kertaa pienempi kuin litiumioniakkujen. Klassiset "kaksikerroksiset" ionistorit eivät käytä sähkökemiallista reaktiota ytimessä, ja termiä "kondensaattori" sovelletaan tarkimmin niihin. Kuitenkin niissä ionistoriversioissa, jotka perustuvat sähkökemialliseen reaktioon ja varauksen kertyminen ulottuu elektrodin syvyyteen, on mahdollista saavuttaa korkeammat purkausajat säilyttäen nopean latausnopeuden. Superkondensaattorien kehittäjien ponnistelut tähtäävät hybridilaitteiden luomiseen akuilla, joissa yhdistyvät superkondensaattorien edut, ensisijaisesti korkea latausnopeus, ja akkujen edut - korkea energiaintensiteetti ja pitkä purkautumisaika. Kuvittele lähitulevaisuudessa ionistoriakku, joka latautuu muutamassa minuutissa ja antaa virtaa kannettavalle tietokoneelle tai älypuhelimelle päiväksi tai kauemmin!

Huolimatta siitä, että nyt superkondensaattorien energiatiheys on edelleen useita kertoja pienempi kuin akkujen energiatiheys, niitä käytetään kulutuselektroniikassa ja eri ajoneuvojen moottoreissa, mukaan lukien useimmat.

* * *

Nykyään siis on suuri määrä sähkökemiallisia laitteita, joista jokainen on lupaava erityisiin sovelluksiinsa. Näiden laitteiden tehokkuuden parantamiseksi tutkijoiden on ratkaistava useita sekä perustavanlaatuisia että teknologisia ongelmia. Suurin osa näistä yhden läpimurtoprojektin tehtävistä käsitellään Uralin liittovaltion yliopistossa, joten kysyimme Venäjän tiedeakatemian Uralin haaran korkean lämpötilan elektrokemian instituutin johtajalta Maxim Ananievilta: Uralin liittovaltion yliopiston kemiallisen teknologian instituutin sähkökemiallisen tuotantoteknologian laitoksen professori puhumaan nykyaikaisten polttokennojen kehittämisen välittömistä suunnitelmista ja näkymistä. .

N+1: Onko suosituimmille Li-Ion-akuille vaihtoehto lähitulevaisuudessa?

Maxim Ananiev: Akkukehittäjien nykyaikaisten ponnistelujen tavoitteena on korvata elektrolyytin varauksen kantaja litiumista natriumiin, kaliumiin ja alumiiniin. Litiumin vaihdon seurauksena on mahdollista alentaa akun kustannuksia, vaikka paino- ja kokoominaisuudet kasvavatkin suhteessa. Toisin sanoen samoilla sähköisillä ominaisuuksilla natrium-ioniakku on suurempi ja raskaampi kuin litiumioniakku.

Lisäksi yksi lupaavista kehityskohteista akkujen parantamisessa on hybridikemiallisten energialähteiden luominen, jotka perustuvat metalli-ioniakkujen ja ilmaelektrodin yhdistämiseen, kuten polttokennoissa. Yleisesti ottaen hybridijärjestelmien luomisen suunta, kuten superkondensaattorien esimerkissä on jo osoitettu, näyttää lähitulevaisuudessa mahdollistavan markkinoilla kemiallisia energialähteitä, joilla on korkeat kuluttajaominaisuudet.

Ural Federal University yhdessä akateemisten ja teollisten kumppaneiden kanssa Venäjältä ja muualta maailmasta toteuttaa parhaillaan kuutta megaprojektia, jotka keskittyvät tieteellisen tutkimuksen läpimurtoalueille. Yksi tällaisista hankkeista on "Perspektiiviset sähkökemiallisen energiatekniikan tekniikat uusien materiaalien kemiallisesta suunnittelusta uuden sukupolven sähkökemiallisiin laitteisiin energian säästämiseksi ja muuntamiseksi".

Strategisen akateemisen yksikön (SAU) UrFU luonnontieteiden ja matematiikan koulun tutkijaryhmä, johon kuuluu Maxim Ananiev, suunnittelee ja kehittää uusia materiaaleja ja teknologioita, mukaan lukien polttokennoja, elektrolyyttikennoja, metalligrafeeniakkuja, sähkökemiallisia akkuja. tehon varastointijärjestelmät ja superkondensaattorit.

Tutkimus- ja tieteellinen työ tehdään jatkuvassa yhteistyössä Venäjän tiedeakatemian Uralin osaston korkean lämpötilan sähkökemian instituutin kanssa ja yhteistyökumppaneiden tuella.

Mitä polttokennoja kehitetään parhaillaan ja joilla on suurin potentiaali?

Yksi lupaavimmista polttokennotyypeistä on protonikeraamiset kennot. Niillä on etuja verrattuna polymeeripolttokennoihin, joissa on protoninvaihtokalvo ja kiinteitä oksidikennoja, koska ne voivat toimia suoralla hiilivetypolttoaineen syötöllä. Tämä yksinkertaistaa merkittävästi protoni-keraamisiin polttokennoihin perustuvan voimalaitoksen suunnittelua ja ohjausjärjestelmää ja lisää siten toiminnan luotettavuutta. Totta, tämäntyyppiset polttokennot ovat tällä hetkellä historiallisesti vähemmän kehittyneitä, mutta nykyaikainen tieteellinen tutkimus antaa meille mahdollisuuden toivoa tämän tekniikan suurta potentiaalia tulevaisuudessa.

Mitä polttokennoihin liittyviä ongelmia Uralin liittovaltion yliopistossa nyt käsitellään?

Nyt UrFU:n tutkijat työskentelevät yhdessä Venäjän tiedeakatemian Uralin osaston korkean lämpötilan sähkökemian instituutin (IHTE) kanssa erittäin tehokkaiden sähkökemiallisten laitteiden ja autonomisten sähkögeneraattoreiden luomiseksi hajautetun energian sovelluksiin. Hajautetun energian voimalaitosten luominen edellyttää aluksi hybridijärjestelmien kehittämistä, jotka perustuvat sähkögeneraattoriin ja varastolaitteeseen, jotka ovat akkuja. Samalla polttokenno toimii jatkuvasti ja tarjoaa kuormitusta ruuhka-aikoina, ja tyhjäkäynnillä se lataa akkua, joka itse voi toimia varavarana sekä suuressa virrankulutuksessa että hätätilanteissa.

Ural Federal Universityn ja IHTE:n kemistit saavuttivat suurimman menestyksen kiinteäoksidi- ja protoni-keraamisten polttokennojen kehittämisessä. Vuodesta 2016 lähtien Uralilla on luotu yhdessä valtionyhtiö Rosatomin kanssa Venäjän ensimmäinen kiinteäoksidipolttokennoihin perustuvien voimalaitosten tuotanto. Ural-tutkijoiden kehitys on jo läpäissyt "kenttä"testit kaasuputken katodisuojausasemalla Uraltransgaz LLC:n koepaikalla. Voimalaitos, jonka nimellisteho on 1,5 kilowattia, on työskennellyt yli 10 tuhatta tuntia ja on osoittanut suuren potentiaalin tällaisten laitteiden käyttöön.

Ural Federal Universityn ja IHTE:n yhteisen laboratorion puitteissa kehitetään protoneja johtavaan keraamiseen kalvoon perustuvia sähkökemiallisia laitteita. Tämä mahdollistaa lähitulevaisuudessa kiinteäoksidipolttokennojen käyttölämpötilojen laskemisen 900 celsiusasteesta 500 celsiusasteeseen ja hiilivetypolttoaineen alustavasta reformoinnista luopumisen, jolloin syntyy kustannustehokkaita sähkökemiallisia generaattoreita, jotka pystyvät toimimaan ns. kehittänyt kaasuntoimitusinfrastruktuuria Venäjällä.

Aleksanteri Dubov

Mobiilielektroniikka on joka vuosi, ellei kuukausi, tulossa helpommin saavutettavaksi ja yleistymään. Täällä on kannettavia tietokoneita ja PDA-laitteita, digitaalikameroita ja matkapuhelimia ja paljon kaikenlaisia ​​hyödyllisiä ja ei kovin laitteita. Ja kaikki nämä laitteet saavat jatkuvasti uusia ominaisuuksia, tehokkaampia prosessoreita, suurempia värinäyttöjä, langattomia yhteyksiä, samalla kun niiden koko pienenee. Mutta toisin kuin puolijohdeteknologiat, tämän mobiilimanagerin tehotekniikat eivät ole lainkaan harppauksia ja rajoja.

Perinteiset akut ja paristot eivät selvästikään riitä toimittamaan elektroniikkateollisuuden viimeisimpiä edistysaskeleita merkittäväksi ajaksi. Ja ilman luotettavia ja tilavia akkuja, koko liikkuvuuden ja langattomuuden pointti menetetään. Joten tietokoneteollisuus työskentelee yhä aktiivisemmin ongelman parissa vaihtoehtoisia virtalähteitä. Ja tähän mennessä lupaavin suunta tässä on polttokennoja.

Brittitieteilijä Sir William Grove löysi polttokennojen perusperiaatteen vuonna 1839. Hänet tunnetaan "polttokennon" isänä. William Grove tuotti sähköä muuttamalla vetyä ja happea. Irrotettuaan akun elektrolyyttikennosta, Grove yllättyi huomatessaan, että elektrodit alkoivat absorboida vapautunutta kaasua ja tuottaa virtaa. Prosessin avaaminen vedyn sähkökemiallinen "kylmä" poltto tuli merkittävä tapahtuma energia-alalla ja tulevaisuudessa tunnetuilla sähkökemistillä, kuten Ostwald ja Nernst, oli suuri rooli polttokennojen teoreettisten perusteiden ja käytännön toteutuksen kehittämisessä ja ennustettiin heille suurta tulevaisuutta.

Itse termi "polttokenno" (Fuel Cell) ilmestyi myöhemmin - sitä ehdottivat vuonna 1889 Ludwig Mond ja Charles Langer, jotka yrittivät luoda laitetta sähkön tuottamiseksi ilmasta ja hiilikaasusta.

Normaalissa hapessa palaessa orgaaninen polttoaine hapettuu ja polttoaineen kemiallinen energia muuttuu tehottomasti lämpöenergiaksi. Mutta osoittautui mahdolliseksi suorittaa hapetusreaktio, esimerkiksi vety hapen kanssa, elektrolyyttiympäristössä ja saada sähkövirtaa elektrodien läsnä ollessa. Esimerkiksi syöttämällä vetyä elektrodille emäksisessä ympäristössä saamme elektroneja:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

jotka ulkoisen piirin läpi kulkevat vastakkaiselle elektrodille, johon happi tulee ja jossa reaktio tapahtuu: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Voidaan nähdä, että tuloksena oleva reaktio 2H2 + O2 → H2O on sama kuin tavanomaisessa polttossa, mutta polttokennossa tai muuten - sähkökemiallinen generaattori, sähkövirta saadaan suurella hyötysuhteella ja osittain lämmöllä. Huomaa, että hiiltä, ​​hiilimonoksidia, alkoholeja, hydratsiinia ja muita orgaanisia aineita voidaan käyttää myös polttokennojen polttoaineena, ja ilmaa, vetyperoksidia, klooria, bromia, Typpihappo jne.

Polttokennojen kehitys jatkui voimakkaasti sekä ulkomailla että Venäjällä ja sitten Neuvostoliitossa. Polttokennojen tutkimukseen suuren panoksen antaneiden tiedemiesten joukossa mainitaan V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Kordes. Viime vuosisadan puolivälissä alkoi uusi hyökkäys polttokennoongelmia vastaan. Tämä johtuu osittain siitä, että puolustustutkimuksen tuloksena syntyi uusia ideoita, materiaaleja ja teknologioita.

Yksi tutkijoista, joka otti suuren askeleen polttokennojen kehityksessä, oli P. M. Spiridonov. Spiridonovin vety-happielementit antoi virrantiheyden 30 mA/cm2, jota pidettiin tuolloin suurena saavutuksena. 1940-luvulla O. Davtyan loi laitteiston hiilen kaasutuksella saadun generaattorikaasun sähkökemialliseen polttamiseen. Jokaisesta elementin tilavuuden kuutiometristä Davtyan sai 5 kW tehoa.

Se oli ensimmäinen kiinteä elektrolyyttipolttokenno. Sillä oli korkea hyötysuhde, mutta ajan myötä elektrolyytti muuttui käyttökelvottomaksi, ja se oli vaihdettava. Myöhemmin 1950-luvun lopulla Davtyan loi tehokkaan asennuksen, joka saa traktorin liikkeelle. Samoin vuosina englantilainen insinööri T. Bacon suunnitteli ja rakensi polttokennoakun, jonka kokonaisteho on 6 kW ja hyötysuhde 80 %, joka toimii puhtaalla vedyllä ja hapella, mutta akun teho-painosuhde. osoittautui liian pieniksi - tällaiset kennot eivät sovellu käytännön käyttöön ja olivat liian kalliita.

Seuraavina vuosina sinkkujen aika kului. Avaruusalusten luojat kiinnostuivat polttokennoista. 1960-luvun puolivälistä lähtien polttokennotutkimukseen on investoitu miljoonia dollareita. Tuhansien tutkijoiden ja insinöörien työ mahdollisti saavuttaa uuden tason, ja vuonna 1965. Polttokennoja testattiin Yhdysvalloissa Gemini 5 -avaruusaluksella ja myöhemmin Apollo-avaruusaluksella Kuuhun lennoille ja Shuttle-ohjelman puitteissa.

Neuvostoliitossa polttokennoja kehitettiin NPO Kvantissa myös avaruudessa käytettäväksi. Näinä vuosina uusia materiaaleja on jo ilmestynyt - ioninvaihtokalvoihin perustuvat kiinteät polymeerielektrolyytit, uudentyyppiset katalysaattorit, elektrodit. Ja silti, työvirran tiheys oli pieni - 100-200 mA/cm2, ja platinapitoisuus elektrodeilla oli useita g/cm2. Kestävyyteen, vakauteen ja turvallisuuteen liittyi monia ongelmia.

Seuraava vaihe polttokennojen nopeassa kehityksessä alkoi 1990-luvulla. viime vuosisadalla ja jatkuu tähän päivään asti. Se johtuu uusien tehokkaiden energialähteiden tarpeesta toisaalta globaalin yhteydessä ympäristöongelma fossiilisten polttoaineiden polttamisesta aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen lisääntyminen ja toisaalta tällaisten polttoaineiden loppuminen. Koska polttokennossa vedyn palamisen lopputuote on vesi, niitä pidetään ympäristövaikutusten kannalta puhtaimpina. Suurin ongelma on vain löytää tehokas ja edullinen tapa tuottaa vetyä.

Miljardien dollarien taloudellisten investointien polttokennojen ja vetygeneraattoreiden kehittämiseen pitäisi johtaa teknologiseen läpimurtoon ja tehdä niiden käytöstä todellisuutta jokapäiväisessä elämässä: matkapuhelimien kennoissa, autoissa, voimalaitoksissa. Jo tällä hetkellä sellaiset autojättiläiset kuin "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" esittelevät henkilöautoja ja linja-autoja, jotka toimivat polttokennoilla, joiden teho on 50 kW. Useita yrityksiä on kehittynyt demonstraatiovoimalaitokset polttokennoilla kiinteällä oksidielektrolyytillä teholla jopa 500 kW. Huolimatta merkittävästä läpimurrosta polttokennojen suorituskyvyn parantamisessa, ratkaisematta on vielä monia niiden kustannuksiin, luotettavuuteen ja turvallisuuteen liittyviä ongelmia.

Polttokennossa, toisin kuin paristoissa ja akuissa, sekä polttoaine että hapetin syötetään siihen ulkopuolelta. Polttokenno on vain välittäjä reaktiossa ja voisi ihanteellisissa olosuhteissa kestää lähes ikuisesti. Tämän tekniikan kauneus on, että itse asiassa polttoaine poltetaan elementissä ja vapautuva energia muunnetaan suoraan sähköksi. Polttoaineen suoran palamisen aikana se hapettuu hapen vaikutuksesta, ja tällöin vapautuva lämpö käytetään hyödyllisen työn suorittamiseen.

Polttokennossa, kuten akuissa, polttoaineen hapettumisen ja hapen pelkistyksen reaktiot erotetaan avaruudellisesti, ja "palaminen" tapahtuu vain, jos kenno syöttää virtaa kuormaan. Se on niin dieselgeneraattori, vain ilman dieseliä ja generaattoria. Ja myös ilman savua, melua, ylikuumenemista ja paljon suuremmalla hyötysuhteella. Jälkimmäinen selittyy sillä, että toisaalta ei ole olemassa välimekaanisia laitteita ja toiseksi polttokenno ei ole lämpömoottori ja sen seurauksena se ei noudata Carnotin lakia (eli sen tehokkuutta ei määrätä lämpötilaero).

Happea käytetään polttokennoissa hapettimena. Lisäksi, koska ilmassa on riittävästi happea, ei tarvitse huolehtia hapettimen saannista. Mitä tulee polttoaineeseen, se on vety. Joten polttokennossa reaktio etenee:

2H2 + O2 → 2H2O + sähkö + lämpö.

Tuloksena on hyödyllistä energiaa ja vesihöyryä. Yksinkertaisin laitteessa on protoninvaihtokalvon polttokenno(katso kuva 1). Se toimii seuraavasti: soluun tuleva vety hajoaa katalyytin vaikutuksesta elektroneiksi ja positiivisesti varautuneiksi vetyioneiksi H+. Sitten erityinen kalvo alkaa toimia, joka tässä toimii elektrolyytinä tavanomaisessa akussa. Kemiallisen koostumuksensa vuoksi se kuljettaa protoneja läpi itsensä, mutta säilyttää elektronit. Siten anodille kertyneet elektronit luovat ylimääräisen negatiivisen varauksen ja vetyionit positiivisen varauksen katodille (elementin jännite on noin 1 V).

Suuren tehon luomiseksi polttokenno kootaan useista kennoista. Jos kytket elementin päälle kuormassa, elektronit virtaavat sen läpi katodille luoden virran ja suorittaen vedyn hapetusprosessin hapella. Katalyyttinä tällaisissa polttokennoissa käytetään pääsääntöisesti hiilikuidulle kerrostettuja platinamikrohiukkasia. Rakenteensa ansiosta tällainen katalyytti läpäisee kaasun ja sähkön hyvin. Kalvo on yleensä valmistettu rikkiä sisältävästä polymeeristä Nafion. Kalvon paksuus on millimetrin kymmenesosia. Reaktion aikana tietysti vapautuu myös lämpöä, mutta sitä ei ole niin paljon, joten käyttölämpötila pidetään alueella 40-80 ° C.

Kuva 1. Polttokennon toimintaperiaate

On olemassa muitakin polttokennoja, jotka eroavat pääasiassa käytetyn elektrolyytin tyypistä. Lähes kaikki ne vaativat vetyä polttoaineena, joten herää looginen kysymys: mistä sitä saa. Tietysti olisi mahdollista käyttää puristettua vetyä sylintereistä, mutta heti syntyy ongelmia tämän helposti syttyvän kaasun kuljetuksessa ja varastoinnissa korkeassa paineessa. Voit tietysti käyttää vetyä sidottuna, kuten metallihydridiakuissa. Mutta silti sen louhinnan ja kuljetuksen tehtävä säilyy, koska vedyn tankkausasemien infrastruktuuria ei ole olemassa.

Tässä on kuitenkin myös ratkaisu - nestemäistä hiilivetypolttoainetta voidaan käyttää vedyn lähteenä. Esimerkiksi etyyli- tai metyylialkoholi. Totta, täällä tarvitaan jo erityinen lisälaite - polttoainemuunnin, joka korkeassa lämpötilassa (metanolille se on noin 240 ° C) muuntaa alkoholit kaasumaisen H2:n ja CO2:n seokseksi. Mutta tässä tapauksessa on jo vaikeampaa ajatella siirrettävyyttä - tällaisia ​​​​laitteita on hyvä käyttää paikallaan tai, mutta kompakteihin mobiililaitteisiin tarvitset jotain vähemmän tilaa vievää.

Ja tässä tulemme juuri laitteeseen, jota melkein kaikki suurimmat elektroniikkavalmistajat kehittävät kauhealla voimalla - metanolipolttokenno(Kuva 2).

Kuva 2. Polttokennon toimintaperiaate metanolilla

Vedyn ja metanolin polttokennojen perustavanlaatuinen ero on käytetty katalyytti. Metanolipolttokennon katalyytti mahdollistaa protonien poistamisen suoraan alkoholimolekyylistä. Polttoainekysymys on siis ratkaistu - metyylialkoholia valmistetaan massatuotantona kemianteollisuudelle, se on helppo varastoida ja kuljettaa, ja metanolipolttokennon lataamiseen riittää pelkkä polttoainepatruunan vaihto. Totta, on yksi merkittävä miinus - metanoli on myrkyllistä. Lisäksi metanolipolttokennon hyötysuhde on paljon pienempi kuin vetypolttokennon.

Riisi. 3. Metanolipolttokenno

Houkuttelevin vaihtoehto on käyttää etyylialkoholia polttoaineena, koska kaiken koostumuksen ja vahvuuden alkoholijuomien valmistus ja jakelu on vakiintunutta kaikkialla. maapallo. Etanolipolttokennojen hyötysuhde on kuitenkin valitettavasti vielä alhaisempi kuin metanolipolttokennojen.

Kuten useiden vuosien polttokennojen kehittämisen aikana on todettu, erilaisia ​​polttokennoja on rakennettu. Polttokennot luokitellaan elektrolyytin ja polttoainetyypin mukaan.

1. Kiinteä polymeerivety-happi-elektrolyytti.

2. Kiinteät polymeeriset metanolipolttokennot.

3. Elementit alkalisessa elektrolyytissä.

4. Fosforihappopolttokennot.

5. Polttokennot sulalla karbonaatilla.

6. Kiinteäoksidipolttokennot.

Ihannetapauksessa polttokennojen hyötysuhde on erittäin korkea, mutta todellisissa olosuhteissa epätasapainoprosesseihin liittyy häviöitä, kuten: elektrolyytin ja elektrodien ominaisjohtavuudesta johtuvat ohmiset häviöt, aktivaatio- ja konsentraatiopolarisaatio, diffuusiohäviöt. Tämän seurauksena osa polttokennoissa tuotetusta energiasta muuttuu lämmöksi. Asiantuntijoiden ponnistelut tähtäävät näiden tappioiden vähentämiseen.

Ohmisen häviöiden pääasiallinen lähde sekä syy polttokennojen korkeaan hintaan ovat perfluoratut sulfokationiset ioninvaihtokalvot. Nyt etsitään vaihtoehtoisia, halvempia protoneja johtavia polymeerejä. Koska näiden kalvojen (kiinteiden elektrolyyttien) johtavuus saavuttaa hyväksyttävän arvon (10 Ω/cm) vain veden läsnäollessa, polttokennoon syötetyt kaasut on lisäksi kostutettava erityisessä laitteessa, mikä nostaa myös polttoaineen kustannuksia. järjestelmä. Katalyyttisissä kaasudiffuusioelektrodeissa käytetään pääasiassa platinaa ja joitain muita jalometalleja, joille ei toistaiseksi ole löydetty korvaavaa. Vaikka platinapitoisuus polttokennoissa on muutama mg/cm2, sen määrä on suurilla akuilla kymmeniä grammoja.

Polttokennoja suunniteltaessa kiinnitetään paljon huomiota lämmönpoistojärjestelmään, koska suurilla virrantiheyksillä (jopa 1 A/cm2) järjestelmä lämpenee itsestään. Jäähdyttämiseen käytetään polttokennossa erityisten kanavien kautta kiertävää vettä ja pienellä teholla puhalletaan ilmaa.

Joten nykyaikainen sähkökemiallisen generaattorin järjestelmä on itse polttokennoakun lisäksi "kasvanut" monilla apulaitteilla, kuten: pumput, kompressori ilman syöttämiseksi, vedyn sisääntulo, kaasun kostutin, jäähdytysyksikkö, kaasuvuotojen valvontajärjestelmä, DC-AC-muunnin, ohjausprosessori ym. Kaikki tämä johtaa siihen, että polttokennojärjestelmän hinta vuosina 2004-2005 oli 2-3 tuhatta $/kW. Asiantuntijoiden mukaan polttokennoja tulee käyttöön liikenteessä ja kiinteissä voimalaitoksissa hintaan 50-100 dollaria/kW.

Polttokennojen tuominen jokapäiväiseen elämään halvempien komponenttien ohella edellyttää uusia alkuperäisiä ideoita ja lähestymistapoja. Erityisesti suuria toiveita liittyy nanomateriaalien ja nanoteknologioiden käyttöön. Esimerkiksi useat yritykset ilmoittivat äskettäin erittäin tehokkaiden katalyyttien luomisesta erityisesti happielektrodille, jotka perustuvat eri metallien nanohiukkasklusteriin. Lisäksi on raportoitu kalvottomista polttokennorakenteista, joissa nestemäistä polttoainetta (esim. metanolia) syötetään polttokennoon yhdessä hapettimen kanssa. Mielenkiintoinen on myös kehitetty konsepti biopolttokennoista, jotka toimivat saastuneissa vesissä ja kuluttavat liuenneen ilman happea hapettimena. orgaaniset epäpuhtaudet polttoaineena.

Asiantuntijat ennustavat, että polttokennot tulevat massamarkkinoille tulevina vuosina. Todellakin, kehittäjät yksi toisensa jälkeen voittavat teknisiä ongelmia, raportoivat onnistumisista ja esittelevät polttokennoprototyyppejä. Esimerkiksi Toshiba esitteli valmiin metanolipolttokennoprototyypin. Sen koko on 22x56x4,5mm ja sen teho on noin 100mW. Yksi täyttö 2 kuutiosta tiivistettyä (99,5 %) metanolia riittää 20 tunnin MP3-soittimen toimintaan. Toshiba on julkaissut kaupallisen polttokennon matkapuhelimiin. Jälleen sama Toshiba esitteli 275x75x40mm kannettavan tietokoneen virtalähdeelementtiä, jonka avulla tietokone voi toimia 5 tuntia yhdellä latauksella.

Ei kaukana Toshibasta ja toisesta japanilaisesta yrityksestä - Fujitsusta. Vuonna 2004 hän esitteli myös elementin, joka toimii 30-prosenttisella metanolin vesiliuoksella. Tämä polttokenno toimi yhdellä 300 ml:n täytöllä 10 tuntia ja tuotti samalla 15 wattia tehoa.

Casio kehittää polttokennoa, jossa metanoli prosessoidaan ensin H2- ja CO2-kaasujen seokseksi minipolttoainemuuntimessa ja syötetään sitten polttokennoon. Demon aikana Casio-prototyyppi käytti kannettavaa tietokonetta 20 tunnin ajan.

Samsung teki itselleen mainetta myös polttokennojen alalla - vuonna 2004 se esitteli 12 W:n prototyyppinsä, joka on suunniteltu toimittamaan kannettavaa tietokonetta. Yleisesti ottaen Samsung aikoo käyttää polttokennoja ennen kaikkea neljännen sukupolven älypuhelimissa.

Minun on sanottava, että japanilaiset yritykset lähestyivät polttokennojen kehitystä yleensä erittäin perusteellisesti. Vuonna 2003 yritykset, kuten Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony ja Toshiba yhdistivät voimansa kehittääkseen yhteisen polttokennostandardin kannettaville tietokoneille, matkapuhelimille, PDA-laitteille ja muille elektronisille laitteille. Amerikkalaiset yritykset, joita myös näillä markkinoilla on monia, työskentelevät enimmäkseen armeijan kanssa tehtyjen sopimusten perusteella ja kehittävät polttokennoja amerikkalaisten sotilaiden sähköistämiseksi.

Saksalaiset eivät ole paljon jäljessä – Smart Fuel Cell -yhtiö myy polttokennoja liikkuvan toimiston virtalähteeksi. Laite on nimeltään Smart Fuel Cell C25, sen mitat ovat 150x112x65mm ja se voi tuottaa yhdellä latauksella jopa 140 wattituntia. Tämä riittää kannettavaan tietokoneeseen noin 7 tunniksi. Sitten patruuna voidaan vaihtaa ja voit jatkaa työtä. Metanolipatruunan koko on 99x63x27 mm ja se painaa 150g. Itse järjestelmä painaa 1,1 kg, joten sitä ei voi kutsua täysin kannettavaksi, mutta silti se on täysin valmis ja kätevä laite. Yhtiö kehittää myös polttoainemoduulia ammattikäyttöön tarkoitettujen videokameroiden virtalähteeksi.

Yleisesti ottaen polttokennot ovat melkein tulleet mobiilielektroniikan markkinoille. Valmistajien on ratkaistava viimeiset tekniset ongelmat ennen massatuotannon aloittamista.

Ensinnäkin on tarpeen ratkaista polttokennojen miniatyrisointi. Loppujen lopuksi, mitä pienempi polttokenno, sitä vähemmän tehoa se pystyy tuottamaan - joten uusia katalyyttejä ja elektrodeja kehitetään jatkuvasti, mikä mahdollistaa pienikokoisen työpinnan maksimoimisen. Tässä nanoteknologian ja nanomateriaalien (esimerkiksi nanoputkien) alan viimeisimmät saavutukset ovat erittäin hyödyllisiä. Jälleen elementtien putkiston (polttoaine- ja vesipumput, jäähdytysjärjestelmät ja polttoaineen muuntaminen) pienentämiseen käytetään yhä enemmän mikroelektromekaniikan saavutuksia.

Toinen tärkeä asia, johon on puututtava, on hinta. Loppujen lopuksi erittäin kallista platinaa käytetään katalysaattorina useimmissa polttokennoissa. Jälleen jotkut valmistajat yrittävät hyödyntää jo vakiintuneita piitekniikoita.

Muilla polttokennojen käyttöalueilla polttokennot ovat jo vakiinnutuneet siellä, vaikka ne eivät ole vielä yleistyneet energia-alalla tai liikenteessä. Monet autonvalmistajat ovat jo esitelleet polttokennokäyttöisiä konseptiautojaan. Polttokennobussit kulkevat useissa kaupungeissa ympäri maailmaa. Canadian Ballard Power Systems julkaisee koko rivi kiinteät generaattorit teholla 1 - 250 kW. Samaan aikaan kilowattigeneraattorit on suunniteltu toimittamaan välittömästi yhteen asuntoon sähköä, lämpöä ja kuumaa vettä.

polttokennoja Polttokennot ovat kemiallisia voimanlähteitä. Ne suorittavat polttoaineenergian suoran muuntamisen sähköksi ohittaen tehottomia, suurihäviöisiä polttoprosesseja. Tämä sähkökemiallinen laite tuottaa suoraan sähköä polttoaineen erittäin tehokkaan "kylmän" polton seurauksena.

Biokemistit ovat todenneet, että biologinen vety-happipolttokenno on "rakennettu" jokaiseen elävä solu(katso luku 2).

Vedyn lähde kehossa on ruoka - rasvat, proteiinit ja hiilihydraatit. Mahalaukussa, suolistossa ja soluissa se lopulta hajoaa monomeereiksi, jotka vuorostaan ​​antavat kemiallisten muutosten sarjan jälkeen vetyä, joka on kiinnittynyt kantajamolekyyliin.

Ilmasta tuleva happi pääsee vereen keuhkojen kautta, yhdistyy hemoglobiiniin ja kulkeutuu kaikkiin kudoksiin. Vedyn ja hapen yhdistämisprosessi on kehon bioenergian perusta. Täällä lievissä olosuhteissa (huoneen lämpötila, normaali paine, vesiympäristö) korkean hyötysuhteen kemiallinen energia muunnetaan termiseksi, mekaaniseksi (lihasliike), sähköksi ( sähköinen Stingray), valo (hyönteiset säteilee valoa).

Ihminen toisti jälleen kerran luonnon luoman energian hankkimislaitteen. Samalla tämä tosiasia osoittaa suunnan näkymät. Kaikki prosessit luonnossa ovat hyvin rationaalisia, joten askeleet kohti polttokennojen todellista käyttöä herättävät toivoa energian tulevaisuudesta.

Vuonna 1838 löytö vety-happipolttokennosta kuuluu englantilaiselle tiedemiehelle W. Grovelle. Tutkiessaan veden hajoamista vedyksi ja hapeksi hän havaitsi sivuvaikutuksen - elektrolysaattori tuotti sähkövirran.

Mitä polttokennossa palaa?
Fossiiliset polttoaineet (hiili, kaasu ja öljy) ovat enimmäkseen hiiltä. Polttoaineatomit menettävät elektroneja palamisen aikana ja ilman happiatomit saavat niitä. Joten hapetusprosessissa hiili- ja happiatomit yhdistetään palamistuotteiksi - hiilidioksidimolekyyleiksi. Tämä prosessi on voimakas: palamiseen osallistuvien aineiden atomit ja molekyylit saavuttavat suuria nopeuksia, ja tämä johtaa niiden lämpötilan nousuun. Ne alkavat säteillä valoa - liekki ilmestyy.

Hiilen palamisen kemiallinen reaktio on muotoa:

C + O2 = CO2 + lämpö

Polttoprosessissa kemiallinen energia muunnetaan lämpöenergiaksi johtuen elektronien vaihdosta polttoaineen ja hapettimen atomien välillä. Tämä vaihto tapahtuu satunnaisesti.

Palaminen on elektronien vaihtoa atomien välillä, ja sähkövirta on elektronien suunnattua liikettä. Jos elektronit pakotetaan kemiallisen reaktion aikana tekemään työtä, palamisprosessin lämpötila laskee. FC:ssä elektronit otetaan lähtöaineista yhdeltä elektrodilta, luovuttavat energiansa sähkövirran muodossa ja liittyvät reagoiviin aineisiin toisella.

Minkä tahansa HIT:n perusta on kaksi elektrolyytillä yhdistettyä elektrodia. Polttokenno koostuu anodista, katodista ja elektrolyytistä (katso luku 2). Hapeutuu anodilla, ts. luovuttaa elektroneja, pelkistimen (CO tai H2 polttoaine), vapaat elektronit anodista tulevat ulkoiseen piiriin ja positiiviset ionit pysyvät anodi-elektrolyyttirajapinnassa (CO+, H+). Ketjun toisesta päästä elektronit lähestyvät katodia, jolla tapahtuu pelkistysreaktio (elektronien lisäys hapettimella O2–). Sitten elektrolyytti kuljettaa hapetin-ionit katodille.

FC:ssä fysikaalis-kemiallisen järjestelmän kolme vaihetta tuodaan yhteen:

kaasu (polttoaine, hapetin);
elektrolyytti (ionien johde);
metallielektrodi (elektronien johdin).
Polttokennoissa redox-reaktion energia muunnetaan sähköenergiaksi ja hapetus- ja pelkistysprosessit erotetaan avaruudellisesti elektrolyytillä. Elektrodit ja elektrolyytti eivät osallistu reaktioon, mutta todellisissa rakenteissa ne kontaminoituvat ajan myötä polttoaineen epäpuhtauksilla. Sähkökemiallinen palaminen voi edetä matalissa lämpötiloissa ja käytännössä ilman häviöitä. Kuvassa p087 näyttää tilanteen, jossa kaasuseos (CO ja H2) tulee polttokennoon, ts. se voi polttaa kaasumaista polttoainetta (katso luku 1). Siten TE osoittautuu "kaikkisyöjäksi".

Polttokennojen käyttöä vaikeuttaa se, että polttoaine on "valmistettava" niitä varten. Polttokennoissa vetyä saadaan muuntamalla orgaanista polttoainetta tai kaasuttamalla hiiltä. Siksi polttokennon voimalaitoksen lohkokaavio sisältää polttokennon akkujen, DC-AC-muuntimen (ks. luku 3) ja apulaitteiden lisäksi vedyn tuotantoyksikön.

Kaksi FC-kehityksen suuntaa

Polttokennoilla on kaksi käyttöaluetta: autonominen ja suuren mittakaavan energia.

Autonomisessa käytössä tärkeimmät ovat erityisominaisuudet ja helppokäyttöisyys. Tuotetun energian hinta ei ole pääindikaattori.

Suuressa sähköntuotannossa tehokkuus on ratkaiseva tekijä. Lisäksi asennusten tulee olla kestäviä, eivät saa sisältää kalliita materiaaleja ja käyttöä luonnollinen polttoaine minimaalisilla koulutuskustannuksilla.

Suurin hyöty on polttokennojen käyttö autossa. Täällä, kuten ei missään muualla, polttokennojen tiiviys vaikuttaa. Kun sähköä saadaan suoraan polttoaineesta, jälkimmäisen säästö on noin 50 %.

Saksalainen tiedemies W. Oswald muotoili ensimmäistä kertaa ajatuksen polttokennojen käytöstä laajamittaisessa energiatekniikassa vuonna 1894. Myöhemmin kehitettiin ajatus polttokennoon perustuvien tehokkaiden autonomisten energialähteiden luomisesta.

Sen jälkeen kivihiiltä yritettiin käyttää polttokennojen aktiivisena aineena toistuvasti. Saksalainen tutkija E. Bauer loi 1930-luvulla laboratorioprototyypin polttokennosta, jossa oli kiinteä elektrolyytti hiilen suoraa anodista hapetusta varten. Samaan aikaan tutkittiin happi-vetypolttokennoja.

Vuonna 1958 F. Bacon loi Englantiin ensimmäisen happi-vetylaitoksen, jonka teho oli 5 kW. Mutta se oli hankalaa korkean kaasunpaineen (2 ... 4 MPa) käytön vuoksi.

Vuodesta 1955 lähtien K. Kordesh on kehittänyt matalan lämpötilan happi-vetypolttokennoja Yhdysvalloissa. He käyttivät hiilielektrodeja platinakatalyyteillä. Saksassa E. Yust työskenteli ei-platinakatalyyttien luomisessa.

Vuoden 1960 jälkeen luotiin esittely- ja mainosnäytteitä. Polttokennojen ensimmäinen käytännön sovellus löydettiin Apollo-avaruusaluksesta. Ne olivat tärkeimmät voimalaitokset laivan laitteiden virtalähteenä ja tarjosivat astronauteille vettä ja lämpöä.

Polttokennoilla varustettujen autonomisten laitosten pääasialliset käyttöalueet olivat sotilaalliset ja laivastosovellukset. 1960-luvun lopulla polttokennojen tutkimuksen määrä väheni ja 1980-luvun jälkeen taas lisääntyi suhteessa suurenergiaan.

VARTA on kehittänyt FC:itä käyttämällä kaksipuolisia kaasudiffuusioelektrodeja. Tämän tyyppisiä elektrodeja kutsutaan nimellä "Janus". Siemens on kehittänyt elektrodeja tehotiheys jopa 90 W/kg. Yhdysvalloissa happi-vetykennojen parissa työskentelee United Technology Corp.

Suurvoimateollisuudessa polttokennojen käyttö laajamittaiseen energian varastointiin, esimerkiksi vedyn tuotantoon (ks. luku 1), on erittäin lupaavaa. (aurinko ja tuuli) ovat hajallaan (katso luku 4). Niiden vakava käyttö, joka on välttämätöntä tulevaisuudessa, on mahdotonta ajatella ilman tilavia akkuja, jotka varastoivat energiaa muodossa tai toisessa.

Akkumulaatioongelma on ajankohtainen jo tänään: sähköjärjestelmien kuormituksen päivittäiset ja viikoittaiset vaihtelut vähentävät merkittävästi niiden tehokkuutta ja vaativat ns. ohjattavia kapasiteettia. Yksi sähkökemiallisen energian varastoinnin vaihtoehdoista on polttokenno yhdistettynä elektrolysaattoriin ja kaasupitimiin*.

* Kaasupidike [kaasu + englanti. holder] - suurten kaasumäärien varastointi.

TE:n ensimmäinen sukupolvi

Ensimmäisen sukupolven keskilämpöiset polttokennot, jotka toimivat 200...230°C lämpötilassa nestemäisellä polttoaineella, maakaasulla tai teknisellä vedyllä*, ovat saavuttaneet suurimman teknologisen täydellisyyden. Niissä oleva elektrolyytti on fosforihappoa, joka täyttää huokoisen hiilimatriisin. Elektrodit on valmistettu hiilestä ja katalyytti on platina (platinaa käytetään muutaman gramman luokkaa kilowattitehoa kohden).

* Kaupallinen vety on fossiilisten polttoaineiden konversiotuote, joka sisältää pieniä epäpuhtauksia hiilimonoksidia.

Yksi tällainen voimalaitos otettiin käyttöön Kalifornian osavaltiossa vuonna 1991. Se koostuu kahdeksastatoista 18 tonnin painoisesta akusta ja sijoitettu koteloon, jonka halkaisija on hieman yli 2 m ja korkeus noin 5 m. Akun vaihtomenettely on suunniteltu kiskoja pitkin liikkuvan runkorakenteen avulla.

Yhdysvallat toimitti kaksi voimalaitosta Japaniin Japaniin. Ensimmäinen niistä lanseerattiin vuoden 1983 alussa. Aseman toiminnallinen suorituskyky vastasi laskelmia. Hän työskenteli kuormalla, joka oli 25–80 % nimellisarvosta. Hyötysuhde saavutti 30...37 % - tämä on lähellä nykyaikaisia ​​suuria lämpövoimalaitoksia. Sen käynnistysaika kylmästä tilasta on 4 tunnista 10 minuuttiin ja tehonvaihdon kesto nollasta täyteen on vain 15 sekuntia.

Nyt eri puolilla Yhdysvaltoja testataan pieniä sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitoksia, joiden teho on 40 kW ja joiden polttoaineen käyttökerroin on noin 80 %. Ne voivat lämmittää veden jopa 130 °C:seen ja ne sijoitetaan pesuloihin, urheilukeskuksiin, viestintäpisteisiin jne. Noin sata asennusta on toiminut jo yhteensä satoja tuhansia tunteja. FC-voimaloiden ympäristöystävällisyys mahdollistaa niiden sijoittamisen suoraan kaupunkeihin.

New Yorkin ensimmäinen polttoainevoimalaitos, jonka kapasiteetti oli 4,5 MW, oli 1,3 hehtaarin alueella. Nyt uusille kaksi ja puoli kertaa tehokkaammille laitoksille tarvitaan 30x60 m kokoinen tontti. Rakennuksessa on useita 11 MW:n demonstraatiovoimaloita. Rakennusaika (7 kuukautta) ja voimalaitoksen pinta-ala (30x60 m) ovat silmiinpistäviä. Uusien voimalaitosten arvioitu käyttöikä on 30 vuotta.

Toisen ja kolmannen sukupolven TE

parhaat ominaisuudet jo suunnitteilla olevat modulaariset laitokset, joiden kapasiteetti on 5 MW, toisen sukupolven keskilämpötilaisilla polttokennoilla. Ne toimivat 650...700°C lämpötiloissa. Niiden anodit on valmistettu sintratuista nikkeli- ja kromihiukkasista, katodit sintratusta ja hapetetusta alumiinista ja elektrolyytti on litium- ja kaliumkarbonaattien seos. Korotettu lämpötila auttaa ratkaisemaan kaksi suurta sähkökemiallista ongelmaa:

vähentää katalyytin "myrkytystä" hiilimonoksidilla;
lisää katodilla olevan hapettimen pelkistysprosessin tehokkuutta.
Kolmannen sukupolven korkean lämpötilan polttokennot, joissa on kiinteiden oksidien (pääasiassa zirkoniumdioksidin) elektrolyytti, ovat entistä tehokkaampia. Niiden käyttölämpötila on jopa 1000°C. Tällaisten polttokennojen voimalaitosten hyötysuhde on lähes 50 %. Tässä polttoaineeksi sopivat myös kivihiilen kaasutustuotteet, joissa on huomattava hiilimonoksidipitoisuus. Yhtä tärkeää on, että korkean lämpötilan laitosten hukkalämpöä voidaan käyttää höyryn tuottamiseen sähkögeneraattoreiden turbiinien käyttämiseksi.

Vestingaus on toiminut kiinteiden oksidien polttokennoliiketoiminnassa vuodesta 1958. Se kehittää voimalaitoksia, joiden teho on 25 ... 200 kW, joissa voidaan käyttää kaasumaista polttoainetta hiilestä. Useiden megawattien tehoisia koelaitteistoja valmistellaan testattavaksi. Toinen amerikkalainen yritys, Engelgurd, suunnittelee 50 kW:n polttokennoja, jotka toimivat metanolilla ja fosforihapolla elektrolyyttinä.

Yhä useammat yritykset kaikkialla maailmassa ovat mukana polttokennojen luomisessa. Amerikkalainen United Technology ja japanilainen Toshiba muodostivat International Fuel Cells Corporationin. Euroopassa polttokennoja harjoittavat belgialais-hollantilainen konsortio Elenko, länsisaksalainen Siemens, italialainen Fiat ja brittiläinen Jonson Metju.

Viktor LAVRUS.

Jos pidit tästä materiaalista, tarjoamme sinulle valikoiman parhaita materiaaleja sivustollamme lukijoidemme mukaan. Valikoima - TOP ympäristöystävällisistä teknologioista, uutta tiedettä ja tieteellisiä löytöjä löydät sieltä, missä se on sinulle sopivinta

Viime aikoina polttokennojen aihe on ollut kaikkien huulilla. Ja tämä ei ole yllättävää, koska tämän tekniikan tultua elektroniikan maailmaan se on löytänyt uuden syntymän. Maailman johtavat mikroelektroniikan alan yritykset kilpailevat esitelläkseen prototyyppejä tulevista tuotteistaan, joihin integroidaan heidän omat minivoimalaitoksensa. Tämän pitäisi toisaalta heikentää mobiililaitteiden sitoutumista "pistorasiaan" ja toisaalta pidentää niiden akun käyttöikää.

Lisäksi osa niistä toimii etanolin pohjalta, joten näiden teknologioiden kehittämisestä on suoraa hyötyä alkoholijuomien tuottajille - kymmenessä vuodessa "IT-ihmisiä" seisoo seuraavan "annoksensa" takana. kannettava tietokone joutuu viinitislaamoon.

Emme voi pysyä poissa hi-tech-teollisuutta koettelevasta polttokennojen "kuumeesta", ja yritämme selvittää, millainen eläin tämä tekniikka on, minkä kanssa sitä syödään ja milloin meidän pitäisi odottaa sen tulevan. "ateriapalvelu". Tässä materiaalissa tarkastelemme polttokennojen kulkemaa polkua tämän tekniikan löytämisestä nykypäivään. Pyrimme myös arvioimaan niiden täytäntöönpanon ja kehittämisen mahdollisuuksia tulevaisuudessa.

Millainen se oli

Polttokennon periaatteen kuvasi ensimmäisen kerran vuonna 1838 Christian Friedrich Schonbein, ja vuotta myöhemmin Philosophical Journal julkaisi artikkelinsa aiheesta. Nämä olivat kuitenkin vain teoreettisia tutkimuksia. Ensimmäinen toimiva polttokenno näki valon vuonna 1843 Walesista kotoisin olevan tiedemiehen Sir William Robert Groven laboratoriossa. Sitä luodessaan keksijä käytti materiaaleja, jotka ovat samanlaisia ​​kuin nykyaikaisissa fosforihappoakuissa. Myöhemmin W. Thomas Grub paransi Sir Groven polttokennoa. Vuonna 1955 tämä legendaariselle General Electric Companylle työskennellyt kemisti käytti sulfonoitua polystyreeni-ioninvaihtokalvoa polttokennon elektrolyyttinä. Vain kolme vuotta myöhemmin hänen kollegansa Leonard Niedrach ehdotti teknologiaa platinan asettamiseksi kalvolle, joka toimi katalysaattorina vedyn hapettumis- ja hapenottoprosessissa.

Polttokennojen "isä" Christian Schönbein

Nämä periaatteet muodostivat perustan uuden sukupolven polttokennoille, joita kutsutaan "Grubb-Nidrach"-elementeiksi niiden luojien mukaan. General Electric jatkoi kehitystään tähän suuntaan, jossa NASAn ja ilmailujätti McDonnell Aircraftin avustuksella luotiin ensimmäinen kaupallinen polttokenno. Päällä uusi teknologia kiinnitti huomiota valtamereen. Ja jo vuonna 1959 britti Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) esitteli kiinteän polttokennon, jonka teho on 5 kW. Amerikkalaiset lisensoivat hänen patentoidut mallinsa, ja niitä käytettiin NASAn avaruusaluksissa virta- ja syöttöjärjestelmissä. juomavesi. Samana vuonna amerikkalainen Harry Ihrig rakensi ensimmäisen polttokennotraktorin (kokonaisteho 15 kW). Akkujen elektrolyyttinä käytettiin kaliumhydroksidia ja reagensseina puristettua vetyä ja happea.

Ensimmäistä kertaa kiinteiden polttokennojen tuotannon kaupallisiin tarkoituksiin käynnisti UTC Power, joka tarjosi varavoimajärjestelmiä sairaaloille, yliopistoille ja yrityskeskuksille. Tämä yritys, joka on alallaan maailman johtava yritys, tuottaa edelleen samanlaisia ​​ratkaisuja teholla 200 kW asti. Se on myös NASAn tärkein polttokennojen toimittaja. Sen tuotteita on käytetty laajasti mm avaruusohjelma Apollo ja on edelleen kysytty osana Space Shuttle -ohjelmaa. UTC Power tarjoaa myös "kuluttajien" polttokennoja monenlaisiin ajoneuvosovelluksiin. Hän loi ensimmäisenä polttokennon, joka mahdollistaa virran vastaanottamisen negatiivisissa lämpötiloissa protoninvaihtokalvon avulla.

Kuinka se toimii

Tutkijat kokeilivat erilaisia ​​aineita reagensseina. Kuitenkin perusperiaatteet toiminta polttokennojen, huolimatta merkittävästi erilaisia suorituskykyominaisuudet, pysyä muuttumattomana. Mikä tahansa polttokenno on sähkökemiallinen energian muuntolaite. Se tuottaa sähköä tietystä määrästä polttoainetta (anodin puolella) ja hapettimesta (katodipuolella). Reaktio etenee elektrolyytin (vapaita ioneja sisältävä ja sähköä johtavana väliaineena toimiva aine) läsnä ollessa. Periaatteessa jokaiseen tällaiseen laitteeseen tulee tiettyjä reagensseja ja niiden reaktiotuotteita, jotka poistetaan sähkökemiallisen reaktion jälkeen. Elektrolyytti toimii tässä tapauksessa vain väliaineena reagoivien aineiden vuorovaikutukselle eikä muutu polttokennossa. Tällaisen järjestelmän perusteella ihanteellisen polttokennon pitäisi toimia niin kauan kuin reaktioon tarvittavia aineita on riittävästi.

Polttokennoja ei pidä sekoittaa perinteisiin akkuihin. Ensimmäisessä tapauksessa jonkin verran "polttoainetta" kuluu sähkön tuottamiseen, joka on myöhemmin täytettävä. Galvaanikennoissa sähkö varastoidaan suljettuun kemialliseen järjestelmään. Akkujen tapauksessa virran käyttäminen mahdollistaa käänteisen sähkökemiallisen reaktion tapahtumisen ja reagenssien palauttamisen alkuperäiseen tilaan (eli lataa sen). mahdollista erilaisia ​​yhdistelmiä polttoaine ja hapetin. Esimerkiksi vetypolttokenno käyttää vetyä ja happea (hapettavaa ainetta) lähtöaineina. Usein polttoaineena käytetään bikarbonaatteja ja alkoholeja, ja ilma, kloori ja klooridioksidi toimivat hapettimina.

Polttokennossa tapahtuva katalyysireaktio syrjäyttää polttoaineesta elektronit ja protonit, ja liikkuvat elektronit muodostavat sähkövirran. Polttokennot käyttävät tyypillisesti platinaa tai sen seoksia katalysaattorina reaktion nopeuttamiseksi. Toinen katalyyttinen prosessi palauttaa elektroneja yhdistämällä ne protonien ja hapettimen kanssa, mikä johtaa reaktiotuotteiden (emission) muodostumiseen. Tyypillisesti nämä päästöt ovat yksinkertaiset aineet: vesi ja hiilidioksidi.

Perinteisessä p(PEMFC) polymeerinen protonia johtava kalvo erottaa anodi- ja katodipuolen. Katodin puolelta vety diffundoituu anodikatalyytille, josta sen jälkeen vapautuu elektroneja ja protoneja. Protonit kulkevat sitten kalvon läpi katodille, ja elektronit, jotka eivät pysty seuraamaan protoneja (kalvo on sähköisesti eristetty), ohjataan ulkoisen kuormituspiirin (virtalähdejärjestelmän) läpi. Katodisen katalyytin puolella happi reagoi kalvon läpi kulkeneiden protonien ja ulkoisen kuormituspiirin kautta tulevien elektronien kanssa. Tämän reaktion seurauksena saadaan vettä (höyryn tai nesteen muodossa). Esimerkiksi hiilivetypolttoaineita (metanolia, dieselpolttoainetta) käyttävien polttokennojen reaktiotuotteita ovat vesi ja hiilidioksidi.

Lähes kaiken tyyppiset polttokennot kärsivät sähköhäviöistä, jotka aiheutuvat sekä polttokennon koskettimien ja elementtien luonnollisesta resistanssista että sähköisestä ylijännitteestä (alkureaktion suorittamiseen tarvittava ylimääräinen energia). Joissakin tapauksissa ei ole mahdollista täysin välttää näitä tappioita, ja joskus "peli ei ole kynttilän arvoinen", mutta useimmiten ne voidaan vähentää hyväksyttävään minimiin. Ratkaisu tähän ongelmaan on näiden laitteiden sarjojen käyttö, joissa polttokennot voidaan kytkeä virransyöttöjärjestelmän vaatimuksista riippuen rinnan (suurempi virta) tai sarjaan (suurempi jännite).

Polttokennojen tyypit

Polttokennoja on monia tyyppejä, mutta yritämme viipyä lyhyesti yleisimmissä niistä.

Alkalipolttokennot (AFC)

Alkaliset tai alkaliset polttokennot, joita kutsutaan myös Bacon-kennoiksi brittiläisen "isänsä" mukaan, ovat yksi kehittyneimmistä polttokennotekniikoista. Nämä laitteet auttoivat ihmistä astumaan kuuhun. Yleisesti ottaen NASA on käyttänyt tämän tyyppisiä polttokennoja 1960-luvun puolivälistä lähtien. AFC:t kuluttavat vetyä ja puhdasta happea tuottaen juomavesi, lämpö ja sähkö. Suurelta osin johtuen siitä, että tämä tekniikka on hyvin kehittynyt, sen hyötysuhde on yksi vastaavista järjestelmistä (noin 70 % potentiaalista).

Tällä tekniikalla on kuitenkin myös haittapuolensa. Nestemäisen alkalisen aineen käytön elektrolyyttinä, joka ei estä hiilidioksidia, erityispiirteiden vuoksi kaliumhydroksidi (yksi käytetyn elektrolyytin vaihtoehdoista) voi reagoida tämän tavallisen ilman komponentin kanssa. Tuloksena voi olla myrkyllinen kaliumkarbonaattiyhdiste. Tämän välttämiseksi on tarpeen käyttää joko puhdasta happea tai puhdistaa ilma hiilidioksidista. Luonnollisesti tämä vaikuttaa tällaisten laitteiden kustannuksiin. Tästä huolimatta AFC:t ovat halvimpia saatavilla olevia polttokennoja.

Suorat boorihydridipolttokennot (DBFC)

Tämä alkalisten polttokennojen alatyyppi käyttää polttoaineena natriumboorihydridiä. Toisin kuin perinteisillä vety-AFC-yhdisteillä, tällä tekniikalla on kuitenkin yksi merkittävä etu - ei vaaraa muodostua myrkyllisiä yhdisteitä joutuessaan kosketuksiin hiilidioksidin kanssa. Sen reaktion tuote on kuitenkin booraksi, jota käytetään laajalti pesuaineissa ja saippuoissa. Borax on suhteellisen myrkytön.

DBFC:t voidaan tehdä jopa halvempia kuin perinteiset polttokennot, koska ne eivät vaadi kalliita platinakatalyyttejä. Lisäksi niillä on korkeampi energiatiheys. Arvioiden mukaan kilon natriumboorihydridin tuotanto maksaa 50 dollaria, mutta jos massatuotanto järjestetään ja booraksia käsitellään, tätä patukkaa voidaan vähentää 50-kertaiseksi.

Metallihydridipolttokennot (MHFC)

Tätä alkalisten polttokennojen alaluokkaa tutkitaan parhaillaan aktiivisesti. Näiden laitteiden ominaisuus on kyky varastoida kemiallisesti vetyä polttokennon sisällä. Suoralla boorihydridipolttokennolla on sama kyky, mutta toisin kuin se, MHFC on täytetty puhtaalla vedyllä.

Joukossa erottuvia ominaisuuksia Nämä polttokennot ovat:

• kyky ladata sähköenergiasta;
• työskennellä matalissa lämpötiloissa - jopa -20 ° C;
• pitkä säilyvyysaika;
• nopea "kylmä" käynnistys;
• kyky työskennellä jonkin aikaa ilman ulkoista vetylähdettä (polttoaineen vaihdon ajaksi).

Huolimatta siitä, että monet yritykset työskentelevät massatuotettujen MHFC:iden luomisen parissa, prototyyppien tehokkuus ei ole tarpeeksi korkea kilpaileviin teknologioihin verrattuna. Yksi näiden polttokennojen parhaista virrantiheydistä on 250 milliampeeria neliösenttimetriä kohti, ja perinteiset PEMFC-polttokennot tuottavat virrantiheyden 1 ampeeria neliösenttimetriä kohti.

Sähkögalvaaniset polttokennot (EGFC)

Kemiallinen reaktio EGFC:ssä tapahtuu kaliumhydroksidin ja hapen osallistuessa. Tämä luo sähkövirran lyijyanodin ja kullatun katodin välille. Sähkögalvaanisen polttokennon ulostulojännite on suoraan verrannollinen hapen määrään. Tämä ominaisuus on mahdollistanut EGFC:n laajan käytön happitestauslaitteena sukellusvarusteissa ja lääketieteellisissä laitteissa. Mutta juuri tästä riippuvuudesta johtuen kaliumhydroksidipolttokennoilla on hyvin rajallinen tehokas toimintajakso (niin kauan kuin happipitoisuus on korkea).

Ensimmäiset sertifioidut EGFC-happitestaajat tulivat laajalti saataville vuonna 2005, mutta eivät tuolloin saavuttaneet suurta suosiota. Kaksi vuotta myöhemmin julkaistu huomattavasti muokattu malli oli paljon menestyneempi ja sai jopa palkinnon "innovaatiosta" erikoistuneessa sukeltajanäyttelyssä Floridassa. Tällä hetkellä organisaatiot, kuten NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) ja DDRC (Diving Diseases Research Center), käyttävät niitä.

Muurahaishapposuorat polttokennot (DFAFC)

Nämä polttokennot ovat PEMFC-suorien muurahaishappolaitteiden alatyyppi. Erikoisominaisuuksiensa ansiosta näillä polttokennoilla on suuri mahdollisuus tulla päävirtalähteeksi sellaiselle kannettavalle elektroniikalle, kuten kannettaville tietokoneille, Kännykät jne.

Metanolin tapaan muurahaishappoa syötetään suoraan polttokennoon ilman erityistä puhdistusvaihetta. Tätä ainetta on myös paljon turvallisempaa varastoida kuin esimerkiksi vetyä, eikä erityisiä säilytysolosuhteita tarvitse tarjota: muurahaishappo on normaalilämpötilassa nestettä. Lisäksi tällä tekniikalla on kaksi kiistatonta etua suoriin metanolipolttokennoihin verrattuna. Ensinnäkin, toisin kuin metanoli, muurahaishappo ei imeydy kalvon läpi. Siksi DFAFC:n tehokkuuden pitäisi määritelmän mukaan olla suurempi. Toiseksi, paineenalennustapauksessa muurahaishappo ei ole niin vaarallista (metanoli voi aiheuttaa sokeutta ja voimakkaalla annoksella kuoleman).

Mielenkiintoista on, että viime aikoihin asti monet tutkijat eivät nähneet tällä tekniikalla olevan käytännön tulevaisuutta. Syy, joka sai tutkijat lopettamaan muurahaishapon useiden vuosien ajan, oli korkea sähkökemiallinen ylijännite, joka johti merkittäviin sähköhäviöihin. Mutta viimeaikaisten kokeiden tulokset ovat osoittaneet, että syy tähän tehottomuuteen oli platinan käyttö katalysaattorina, jota on perinteisesti käytetty laajalti tähän tarkoitukseen polttokennoissa. Illinoisin yliopiston tutkijat suorittivat useita kokeita muilla materiaaleilla, ja kävi ilmi, että käytettäessä palladiumia katalyyttinä DFAFC:n tuottavuus on korkeampi kuin vastaavien suorien metanolipolttokennojen. Tällä hetkellä oikeudet tähän teknologiaan omistaa amerikkalainen Tekion, joka tarjoaa Formira Power Pack -tuotelinjaansa mikroelektroniikkalaitteille. Tämä järjestelmä on "duplex", joka koostuu akusta ja varsinaisesta polttokennosta. Kun akkua lataavan patruunan reagenssit loppuvat, käyttäjä yksinkertaisesti vaihtaa sen uuteen. Siten siitä tulee täysin riippumaton "pistorasiasta". Valmistajan lupausten mukaan latausten välinen aika kaksinkertaistuu huolimatta siitä, että tekniikka maksaa vain 10-15% enemmän kuin perinteiset akut. Ainoa suuri este tälle teknologialle voi olla yrityksen tukema se keskiluokka ja se voi yksinkertaisesti "kuormittua" suuremmilla kilpailijoilla, jotka esittelevät teknologioitaan, jotka voivat jopa olla DFAFC:tä huonompia useilta parametreilta.

Suorat metanolipolttokennot (DMFC)

Nämä polttokennot ovat osa protoninvaihtokalvolaitteita. He käyttävät metanolia, joka on ladattu polttokennoon ilman lisäsiivous. Metyylialkoholia on kuitenkin paljon helpompi varastoida, eikä se ole räjähtävää (vaikka se on syttyvää ja voi aiheuttaa sokeutta). Samaan aikaan metanolin energiakapasiteetti on huomattavasti suurempi kuin puristetun vedyn.

Kuitenkin johtuen siitä, että metanoli pystyy imeytymään kalvon läpi, DMFC:n hyötysuhde suurilla polttoainemäärillä on alhainen. Vaikka ne eivät tästä syystä sovellu kuljetukseen ja suuriin asennuksiin, ne sopivat erinomaisesti mobiililaitteiden akun korvaajiksi.

Käsitellyt metanolipolttokennot (RMFC)

Käsitellyt metanolipolttokennot eroavat DMFC:istä vain siinä, että ne muuttavat metanolin vedyksi ja hiilidioksidiksi ennen sähkön tuottamista. Tämä tapahtuu erityisessä laitteessa, jota kutsutaan polttoaineprosessoriksi. Tämän esivaiheen jälkeen (reaktio suoritetaan yli 250°C:n lämpötilassa) vety käy läpi hapetusreaktion, jonka tuloksena muodostuu vettä ja sähköä.

Metanolin käyttö RMFC:ssä johtuu siitä, että se on luonnollinen vedyn kantaja, ja riittävän alhaisessa lämpötilassa (muihin aineisiin verrattuna) se voi hajota vedyksi ja hiilidioksidiksi. Siksi tämä tekniikka on edistyneempi kuin DMFC. Käsitellyt metanolipolttokennot ovat tehokkaampia, kompaktimpia ja toimivat pakkasessa.

Suorat etanolipolttokennot (DEFC)

Toinen protoninvaihtohilalla varustettujen polttokennojen luokan edustaja. Kuten nimestä voi päätellä, etanoli tulee polttokennoon ohittaen lisäpuhdistuksen tai hajoamisen vaiheet yksinkertaisemmiksi aineiksi. Näiden laitteiden ensimmäinen etu on käyttö etyylialkoholi myrkyllisen metanolin sijaan. Tämä tarkoittaa, että sinun ei tarvitse investoida paljon rahaa tämän polttoaineen kehittämiseen.

Alkoholin energiatiheys on noin 30 % suurempi kuin metanolin. Lisäksi sitä voidaan saada suuria määriä biomassasta. Etanolipolttokennojen kustannusten alentamiseksi etsitään aktiivisesti vaihtoehtoista katalyyttimateriaalia. Platina, jota perinteisesti käytetään polttokennoissa näihin tarkoituksiin, on liian kallista ja on merkittävä este näiden teknologioiden massakäytölle. Ratkaisu tähän ongelmaan voivat olla raudan, kuparin ja nikkelin seoksesta valmistetut katalyytit, jotka osoittavat vaikuttavia tuloksia koejärjestelmissä.

Sinkki-ilmapolttokennot (ZAFC)

ZAFC käyttää sinkin hapettumista ilman hapen kanssa sähkön tuottamiseen. Nämä polttokennot ovat edullisia valmistaa ja tarjoavat melko korkean energiatiheyden. Tällä hetkellä niitä käytetään kuulokojeissa ja kokeellisissa sähköautoissa.

Anodin puolella on seos sinkkihiukkasia elektrolyytin kanssa ja katodipuolella ilmasta vettä ja happea, jotka reagoivat keskenään ja muodostavat hydroksyyliä (sen molekyyli on happiatomi ja vetyatomi, joiden välissä on kovalenttinen sidos). Hydroksyylin reaktion seurauksena sinkkiseoksen kanssa vapautuu elektroneja, jotka menevät katodille. Tällaisten polttokennojen antama maksimijännite on 1,65 V, mutta se on pääsääntöisesti vähennetty keinotekoisesti 1,4–1,35 V:iin, mikä rajoittaa ilman pääsyä järjestelmään. Tämän sähkökemiallisen reaktion lopputuotteet ovat sinkkioksidi ja vesi.

Tätä tekniikkaa on mahdollista käyttää sekä akuissa (ilman latausta) että polttokennoissa. Jälkimmäisessä tapauksessa anodipuolen kammio puhdistetaan ja täytetään uudelleen sinkkitahnalla. Yleisesti ottaen ZAFC-tekniikka on osoittautunut yksinkertaiseksi ja luotettavaksi akuksi. Niiden kiistaton etu on kyky hallita reaktiota vain säätämällä ilmansyöttöä polttokennoon. Monet tutkijat pitävät sinkki-ilmapolttokennoja tulevaisuuden sähköajoneuvojen päävoimanlähteenä.

Mikrobipolttokennot (MFC)

Ajatus bakteerien käytöstä ihmiskunnan hyväksi ei ole uusi, vaikka se on vasta äskettäin tullut näiden ajatusten toteuttamiseen. Tällä hetkellä tutkitaan aktiivisesti kysymystä bioteknologioiden kaupallisesta käytöstä eri tuotteiden valmistukseen (esimerkiksi vedyn tuotanto biomassasta), haitallisten aineiden neutralointiin ja sähkön tuotantoon. Mikrobipolttokennot, joita kutsutaan myös biologisiksi polttokennoiksi, ovat biologinen sähkökemiallinen järjestelmä, joka tuottaa sähköä bakteerien avulla. Tämä tekniikka perustuu glukoosin, asetaatin (etikkahapon suola), butyraatin (voihapon suola) tai jäteveden kataboliaan (monimutkaisen molekyylin hajoaminen yksinkertaisemmiksi energian vapautuessa). Hapettumisensa seurauksena vapautuu elektroneja, jotka siirtyvät anodille, minkä jälkeen syntyvä sähkövirta kulkee johtimen läpi katodille.

Tällaisissa polttokennoissa välittäjiä käytetään yleensä parantamaan elektronien läpäisevyyttä. Ongelmana on, että välittäjänä toimivat aineet ovat kalliita ja myrkyllisiä. Käytettäessä sähkökemiallisesti aktiivisia bakteereja ei kuitenkaan ole tarvetta välittäjille. Tällaisia ​​"lähettimettömiä" mikrobipolttokennoja alettiin luoda melko äskettäin, ja siksi niiden kaikkia ominaisuuksia ei ole tutkittu hyvin.

Huolimatta esteistä, joita MFC ei ole vielä voittanut, tällä tekniikalla on valtava potentiaali. Ensinnäkin "polttoainetta" ei ole vaikea löytää. Lisäksi jätevesien käsittely ja monien jätteiden hävittäminen on nykyään erittäin akuutti kysymys. Tämän tekniikan soveltaminen voisi ratkaista nämä molemmat ongelmat. Toiseksi, teoriassa sen tehokkuus voi olla erittäin korkea. Mikrobipolttokennojen insinöörien suurin ongelma ovat, ja itse asiassa tämän laitteen tärkein elementti, mikrobit. Ja vaikka lukuisia tutkimusapurahoja saavat mikrobiologit iloitsevat, myös tieteiskirjailijat hierovat käsiään odottaen väärien mikro-organismien "julkaisun" seurauksia käsittelevien kirjojen menestystä. Luonnollisesti on olemassa riski, että esiin tulee jotain, joka "sulattaisi" turhan jätteen lisäksi myös jotain arvokasta. Joten periaatteessa, kuten minkä tahansa uuden biotekniikan kanssa, ihmiset ovat varovaisia ​​​​ajatuksesta kantaa taskussaan bakteereiden saastuttamaa laatikkoa.

Sovellus

Kiinteät kotitalous- ja teollisuusvoimalaitokset

Polttokennoja käytetään laajalti energialähteinä kaikenlaisissa autonomisissa järjestelmissä, kuten avaruusaluksissa, etäsääasemissa, sotilaslaitoksissa jne. Tällaisen virtalähdejärjestelmän tärkein etu on sen erittäin korkea luotettavuus muihin teknologioihin verrattuna. Koska polttokennoissa ei ole liikkuvia osia ja mekanismeja, virransyöttöjärjestelmien luotettavuus voi olla 99,99%. Lisäksi käytettäessä vetyä reagenssina voidaan saavuttaa hyvin pieni paino, mikä on yksi tärkeimmistä kriteereistä avaruuslaitteiden tapauksessa.

Viime aikoina asuinrakennuksissa ja toimistoissa laajasti käytetyt sähkön ja lämmön yhteislaitokset ovat yleistyneet. Näiden järjestelmien erikoisuus on, että ne tuottavat jatkuvasti sähköä, jota käytetään veden ja ilman lämmittämiseen, jos sitä ei kuluteta heti. Huolimatta siitä, että tällaisten laitteistojen sähköinen hyötysuhde on vain 15-20%, tämän haitan kompensoi se, että käyttämätöntä sähköä käytetään lämmön tuotantoon. Yleensä tällaisten yhdistettyjen järjestelmien energiatehokkuus on noin 80 %. Yksi parhaista reagensseista tällaisille polttokennoille on fosforihappo. Näiden yksiköiden energiatehokkuus on 90 % (35-50 % sähköä ja loput lämpöenergiaa).

Kuljetus

Polttokennoihin perustuvia energiajärjestelmiä käytetään laajalti myös liikenteessä. Muuten, saksalaiset olivat ensimmäisten joukossa, jotka asensivat polttokennoja ajoneuvoihin. Maailman ensimmäinen sellaisella asennuksella varustettu kaupallinen vene debytoi siis kahdeksan vuotta sitten. Tämä pieni alus, nimeltään "Hydra" ja suunniteltu kuljettamaan jopa 22 matkustajaa, laskettiin vesille lähellä Saksan entistä pääkaupunkia kesäkuussa 2000. Vety (alkalinen polttokenno) toimii energiaa kuljettavana reagenssina. Alkalisten (emäksisten) polttokennojen käytön ansiosta laitteisto pystyy tuottamaan virtaa jopa -10 °C:n lämpötiloissa, eikä se "pelkää" suolavettä. 5 kW:n sähkömoottorilla toimiva "Hydra" -vene pystyy ajamaan jopa 6 solmun (noin 12 km/h) nopeudella.

Vene "Hydra"

Polttokennot (erityisesti vetykäyttöiset) ovat yleistyneet paljon maaliikenteessä. Yleisesti ottaen vetyä on käytetty autojen moottoreiden polttoaineena jo pitkään, ja periaatteessa perinteinen polttomoottori voidaan helposti muuntaa käyttämään tätä vaihtoehtoista polttoainetta. Vedyn perinteinen poltto on kuitenkin vähemmän tehokasta kuin sähkön tuottaminen vedyn ja hapen välisellä kemiallisella reaktiolla. Ja ihannetapauksessa vety, jos sitä käytetään polttokennoissa, on ehdottoman turvallista luonnolle tai, kuten sanotaan, "ympäristöystävällinen", koska kemiallisen reaktion aikana ei vapaudu hiilidioksidia tai muita aineita, jotka koskettavat "kasvihuonetta". vaikutus".

Totta, tässä, kuten odottaa, on useita suuria "mutta". Tosiasia on, että monet teknologiat vedyn tuottamiseksi uusiutumattomista luonnonvaroista (maakaasu, hiili, öljytuotteet) eivät ole niin ympäristöystävällisiä, koska niiden prosessissa vapautuu suuri määrä hiilidioksidia. Teoriassa, jos uusiutuvia luonnonvaroja käytetään sen saamiseksi, ei haitallisia päästöjä synny ollenkaan. Tässä tapauksessa kustannukset kuitenkin kasvavat huomattavasti. Monien asiantuntijoiden mukaan näistä syistä vedyn mahdollisuudet bensiinin tai maakaasun korvikkeena ovat hyvin rajalliset. Halvempia vaihtoehtoja on jo olemassa, eikä jaksollisen taulukon ensimmäisen elementin polttokennoista todennäköisesti tule massailmiötä ajoneuvoissa.

Autonvalmistajat kokeilevat melko aktiivisesti vetyä energialähteenä. Ja suurin syy tähän on EU:n melko kova asema ilmakehään joutuvien haitallisten päästöjen suhteen. Euroopassa kiristyvien rajoitusten vauhdittamana Daimler AG, Fiat ja Ford Motor Company ovat julkistaneet visionsa polttokennojen tulevaisuudesta autoteollisuudessa varustamalla perusmallinsa samanlaisilla voimansiirroilla. Toinen eurooppalainen autojätti, Volkswagen, valmistelee parhaillaan polttokennoautoaan. Japanilaiset ja eteläkorealaiset yritykset eivät jää niistä jälkeen. Kaikki eivät kuitenkaan lyö vetoa tähän tekniikkaan. Monet ihmiset haluavat muokata polttomoottoreita tai yhdistää ne akkukäyttöisiin sähkömoottoreihin. Toyota, Mazda ja BMW seurasivat tätä tietä. Mitä tulee amerikkalaisiin yrityksiin, Fordin Focus-mallinsa lisäksi General Motors esitteli myös useita polttokennoautoja. Monet valtiot kannustavat aktiivisesti kaikkia näitä yrityksiä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa on laki, jonka mukaan markkinoille tuleva uusi hybridiauto on vapautettu veroista, mikä voi olla melko kohtuullinen summa, koska tällaiset autot ovat yleensä kalliimpia kuin perinteisellä polttomoottorilla varustetut autot. moottorit. Siten hybrideistä ostona tulee entistä houkuttelevampaa. Tämä laki koskee kuitenkin toistaiseksi vain markkinoille tulevia malleja 60 000 auton myyntitason saavuttamiseen, minkä jälkeen etu peruuntuu automaattisesti.

Elektroniikka

Viime aikoina polttokennoja on käytetty yhä enemmän kannettavissa tietokoneissa, matkapuhelimissa ja muissa mobiililaitteissa. Syynä tähän oli nopeasti lisääntyvä ahneus pitkää akkua varten suunniteltujen laitteiden välillä. Puhelimen suurten kosketusnäyttöjen, tehokkaiden ääniominaisuuksien sekä Wi-Fi-, Bluetooth- ja muiden korkeataajuisten langattomien viestintäprotokollien tuen käyttöönoton seurauksena myös akun kapasiteettivaatimukset ovat muuttuneet. Ja vaikka akut ovat edenneet pitkän matkan ensimmäisten matkapuhelimien ajoista, kapasiteetin ja kompaktin suhteen (muuten nykyään faneja ei päästettäisi stadionille tällä viestintätoiminnolla varustetulla aseella), ne eivät silti pysy perässä elektroniikkapiirien miniatyrisoinnilla, eivätkä valmistajat halua rakentaa tuotteitaan yhä enemmän ominaisuuksia. Toinen nykyisten akkujen merkittävä haittapuoli on niiden pitkä latausaika. Kaikki johtaa siihen, että mitä enemmän ominaisuuksia puhelimessa tai taskumultimediasoittimessa on suunniteltu lisäämään sen omistajan autonomiaa (langaton Internet, navigointijärjestelmät jne.), sitä riippuvaisemmaksi tämä laite tulee "pistorasiasta".

Ei ole mitään sanottavaa kannettavista tietokoneista, jotka ovat paljon pienempiä kuin ne, joiden koko on rajoitettu. Jo pitkään on muodostunut kapea supertehokkaiden kannettavien tietokoneiden, joita ei ole tarkoitettu lainkaan itsenäiseen toimintaan, lukuun ottamatta tällaista siirtoa toimistosta toiseen. Ja jopa kannettavien tietokoneiden kustannustehokkaimmilla jäsenillä on vaikeuksia tarjota koko päivän akunkestoa. Siksi kysymys vaihtoehdon löytämisestä perinteisille akuille, jotka eivät olisi kalliimpia, mutta myös paljon tehokkaampia, on erittäin akuutti. Ja alan johtavat edustajat ovat viime aikoina ratkaisseet tätä ongelmaa. Ei niin kauan sitten otettiin käyttöön kaupalliset metanolipolttokennot, joiden massatoimitukset voidaan aloittaa jo ensi vuonna.

Tutkijat valitsivat jostain syystä metanolin vedyn sijaan. Metanolin varastointi on paljon helpompaa, koska se ei vaadi korkeaa painetta tai erityisiä lämpötilaolosuhteita. Metyylialkoholi on neste -97,0 - 64,7 °C:ssa. Samanaikaisesti N:nnen metanolin tilavuuden sisältämä ominaisenergia on suuruusluokkaa suurempi kuin samassa vedyn tilavuudessa. korkeapaine. Mobiilielektroniikkalaitteissa laajalti käytetty suora metanolipolttokennoteknologia sisältää mm metyylialkoholi sen jälkeen, kun polttokennosäiliö on yksinkertaisesti täytetty ohittaen katalyyttisen konversiomenettelyn (tästä nimi "suora metanoli"). Tämä on myös tämän tekniikan suuri etu.

Kuitenkin, kuten odottaa, kaikilla näillä plussilla oli miinuksensa, mikä rajoitti merkittävästi sen soveltamisalaa. Ottaen huomioon sen tosiasian, että tätä tekniikkaa ei kuitenkaan ole vielä täysin kehitetty, tällaisten polttokennojen alhaisen hyötysuhteen ongelma, joka johtuu metanolin "vuodosta" kalvomateriaalin läpi, on edelleen ratkaisematta. Lisäksi niillä ei ole vaikuttavia dynaamisia ominaisuuksia. Ei ole helppoa päättää, mitä tehdä anodilla syntyvälle hiilidioksidille. Nykyaikaiset DMFC-laitteet eivät pysty tuottamaan suurta energiaa, mutta niillä on suuri energiakapasiteetti pienelle ainemäärälle. Tämä tarkoittaa, että vaikka paljon energiaa ei ole vielä saatavilla, suorat metanolipolttokennot voivat tuottaa sitä pitkään. Tämä ei anna niille suoraa käyttöä ajoneuvoissa alhaisen tehonsa vuoksi, mutta tekee niistä melkein ihanteellisen ratkaisun mobiililaitteisiin, joissa akun kesto on kriittinen.

Viimeisimmät trendit

Vaikka ajoneuvojen polttokennoja on valmistettu jo pitkään, nämä ratkaisut eivät toistaiseksi ole yleistyneet. Tähän on monia syitä. Ja tärkeimmät ovat taloudellinen epätarkoituksenmukaisuus ja valmistajien haluttomuus käynnistää edullisen polttoaineen tuotanto. Yritykset pakottaa luonnollinen siirtyminen uusiutuviin energialähteisiin, kuten voi odottaa, eivät johtaneet mihinkään hyvään. Syy maataloustuotteiden jyrkälle hintojen nousulle ei tietenkään piile pikemminkin siinä, että niitä on alettu massiivisesti muuttaa biopolttoaineiksi, vaan siinä, että monet Afrikan ja Aasian maat eivät pysty tuottamaan tarpeeksi tuotteita. jopa vastaamaan kotimaista tuotteiden kysyntää.

Ilmeisesti biopolttoaineiden käytön kieltäminen ei johda merkittävään tilanteen paranemiseen maailman elintarvikemarkkinoilla, vaan päinvastoin se voi iskeä eurooppalaisiin ja amerikkalaisiin maanviljelijöihin, jotka ovat saaneet ensimmäistä kertaa moneen vuoteen. mahdollisuus ansaita hyvää rahaa. Mutta tämän asian eettistä puolta ei voi jättää pois, on rumaa täyttää "leipää" tankkeihin, kun miljoonat ihmiset näkevät nälkää. Siksi erityisesti eurooppalaiset poliitikot suhtautuvat nyt viileämmin bioteknologiaan, minkä vahvistaa jo uusiutuviin energialähteisiin siirtymistä koskevan strategian tarkistaminen.

Tässä tilanteessa mikroelektroniikasta pitäisi tulla lupaavimpi polttokennojen sovellusala. Täällä polttokennoilla on suurimmat mahdollisuudet saada jalansijaa. Ensinnäkin ihmiset, jotka ostavat matkapuhelimia, ovat halukkaampia kokeilemaan kuin esimerkiksi auton ostajat. Ja toiseksi, he ovat valmiita käyttämään rahaa eivätkä pääsääntöisesti vastusta "maailman pelastamista". Tämä voidaan vahvistaa huikea menestys punainen "Bono" versio iPod Nanosta, jonka myynnistä osa rahoista meni Punaiselle Ristille.

Apple iPod Nanon "Bono"-versio

Kannettavan elektroniikan polttokennoihin huomionsa kiinnittäneiden joukossa ovat aiemmin polttokennojen luomiseen erikoistuneet yritykset, jotka nyt yksinkertaisesti avasivat uuden alueen niiden sovellukselle, sekä johtavat mikroelektroniikan valmistajat. Esimerkiksi äskettäin MTI Micro, joka on muuttanut liiketoimintansa valmistamaan metanolipolttokennoja mobiililaitteisiin, ilmoitti aloittavansa massatuotannon vuonna 2009. Hän esitteli myös maailman ensimmäisen metanolipolttokenno-GPS-laitteen. Tämän yrityksen edustajien mukaan sen tuotteet korvaavat lähitulevaisuudessa täysin perinteiset litiumioniakut. Totta, aluksi ne eivät ole halpoja, mutta tämä ongelma liittyy mihin tahansa uuteen tekniikkaan.

Sonyn kaltaiselle yritykselle, joka esitteli äskettäin mediakäyttöisen laitteen DMFC-versionsa, nämä tekniikat ovat uusia, mutta he eivät halua eksyä lupaaville uusille markkinoille. Sharp puolestaan ​​meni vielä pidemmälle ja teki äskettäin polttokennoprototyyppillään maailmanennätyksen ominaisenergiakapasiteetissa 0,3 wattia metanolin kuutiosenttimetriä kohden. Jopa monien maiden hallitukset tapasivat näitä polttokennoja valmistavia yrityksiä. Joten Yhdysvaltojen, Kanadan, Iso-Britannian, Japanin ja Kiinan lentokentät peruuttivat metanolin myrkyllisyydestä ja syttyvyydestä huolimatta aiemmin voimassa olleet rajoitukset sen kuljettamiselle matkustamossa. Tämä on tietysti sallittu vain sertifioiduille polttokennoille, joiden enimmäiskapasiteetti on 200 ml. Tästä huolimatta tämä vahvistaa jälleen kerran kiinnostuneiden, ei vain harrastajien, vaan myös valtioiden puolelta tätä kehitystä.

Totta, valmistajat yrittävät edelleen pelata varman päälle ja tarjota polttokennoja pääasiassa varavoimajärjestelmänä. Yksi tällainen ratkaisu on polttokennon ja akun yhdistelmä: kun polttoainetta on, se lataa akkua jatkuvasti, ja sen tyhjentymisen jälkeen käyttäjä yksinkertaisesti vaihtaa tyhjän patruunan uuteen metanolisäiliöön. Toinen suosittu trendi on luominen latureita polttokennoissa. Niitä voidaan käyttää tien päällä. Samalla ne voivat ladata akkuja erittäin nopeasti. Toisin sanoen tulevaisuudessa kenties jokainen kantaa tällaista "pistorasiaa" taskussaan. Tämä lähestymistapa voi olla erityisen tärkeä matkapuhelimien tapauksessa. Kannettavat voivat puolestaan ​​lähitulevaisuudessa hankkia sisäänrakennettuja polttokennoja, jotka elleivät kokonaan korvaa latausta "pistorasiasta", niin niistä tulee ainakin vakava vaihtoehto sille.

Näin ollen Saksan suurimman kemianyhtiön BASF:n, joka ilmoitti hiljattain polttokennojen kehityskeskuksensa rakentamisen aloittamisesta Japanissa, ennusteen mukaan vuoteen 2010 mennessä näiden laitteiden markkinat ovat miljardi dollaria. Samaan aikaan sen analyytikot ennustavat polttokennomarkkinoiden kasvavan 20 miljardiin dollariin vuoteen 2020 mennessä. Muuten, tässä keskustassa BASF aikoo kehittää polttokennoja kannettavaan elektroniikkaan (erityisesti kannettaviin tietokoneisiin) ja kiinteisiin energiajärjestelmiin. Paikka tälle yritykselle ei valittu sattumalta - näiden tekniikoiden tärkeimmät ostajat saksalainen yritys näkee paikallisia yrityksiä.

Päätelmän sijaan

Polttokennoilta ei tietenkään pidä odottaa, että niistä tulee nykyisen tehonsyöttöjärjestelmän korvaaja. Ainakin lähitulevaisuudessa. Tämä on kaksiteräinen miekka: kannettavat voimalaitokset ovat varmasti tehokkaampia, koska sähkön toimittamiseen kuluttajalle ei liity häviöitä, mutta on myös syytä ottaa huomioon, että niistä voi tulla vakava kilpailija keskitetylle virtalähteelle. järjestelmä vain, jos näitä laitteistoja varten luodaan keskitetty polttoaineen syöttöjärjestelmä. Eli "pistorasia" tulisi lopulta korvata tietyllä putkella, joka toimittaa tarvittavat reagenssit jokaiseen taloon ja jokaiseen kolkkaan. Ja tämä ei ole aivan sama vapaus ja riippumattomuus ulkoisista lähteistä nykyinen, josta polttokennovalmistajat puhuvat.

Näillä laitteilla on kiistaton etu latausnopeuden muodossa - vaihdoin vain metanolipatruunan (ääritapauksissa avasin korkki Jack Danielin pokaalin) kamerassa ja hyppäsin taas Louvren portaita ylös. Toisaalta, jos sanotaan, että tavallinen puhelin latautuu kaksi tuntia ja vaatii lataamisen 2-3 päivän välein, silloin on epätodennäköistä, että vaihtoehto, joka on vain erikoisliikkeissä myytävän patruunan vaihto, jopa kerran kahdessa viikossa, on niin kysytty massakäyttäjän toimesta.Jos muutaman sadan millilitran polttoainetta sisältävä hermeettinen säiliö saavuttaa loppukuluttajan, niin sen hinta ehtii nousta huomattavasti. Vain tuotannon mittakaava pystyy taistelemaan tätä hinnannousua vastaan, mutta onko tämä mittakaavassa on kysyntää markkinoilla?Ja ennen kuin optimaalinen polttoainetyyppi valitaan, tämän ongelman ratkaiseminen on erittäin vaikeaa.ongelmallista.

Toisaalta perinteisen pistokelatauksen, polttokennojen ja muiden vaihtoehtoisten energiansyöttöjärjestelmien (esim. aurinkopaneelien) yhdistelmä voi olla ratkaisu virtalähteiden monipuolistamisen ja ympäristötyyppeihin siirtymisen ongelmaan. Tietyssä elektroniikkatuoteryhmässä polttokennoja voidaan kuitenkin käyttää laajasti. Tämän vahvistaa se tosiasia, että Canon patentoi äskettäin omat polttokennot digitaalikameroihin ja ilmoitti strategiasta näiden teknologioiden sisällyttämiseksi ratkaisuihinsa. Kannettavien tietokoneiden osalta, jos polttokennot saavuttavat ne lähitulevaisuudessa, niin todennäköisesti vain varavirtajärjestelmänä. Nyt puhumme esimerkiksi pääasiassa ulkoisista latausmoduuleista, jotka on lisäksi kytketty kannettavaan tietokoneeseen.

Mutta näillä teknologioilla on suuret kehitysmahdollisuudet pitkäaikainen. Etenkin lähivuosikymmeninä mahdollisesti ilmenevän öljynnälkään uhan valossa. Näissä olosuhteissa tärkeämpää ei ole edes se, kuinka halpaa polttokennojen tuotanto tulee olemaan, vaan se, kuinka paljon niille tuotetaan polttoainetta petrokemian teollisuudesta riippumatta ja pystyykö se kattamaan sen tarpeen.

Nissan vetypolttokenno

Mobiilielektroniikka kehittyy vuosi vuodelta, yleistyy ja helpottaa saatavuutta: kämmentietokoneet, kannettavat tietokoneet, mobiili- ja digitaaliset laitteet, valokuvakehykset jne. Kaikkiin niihin päivitetään jatkuvasti uusia ominaisuuksia, suurempia näyttöjä, langatonta viestintää, vahvemmat prosessorit, mutta niiden määrä vähenee koko.. Tehoteknologiat, toisin kuin puolijohdeteknologia, eivät kulje harppauksin.

Käytettävissä olevat paristot ja akut teollisuuden saavutusten tehostamiseksi ovat tulossa riittämättömiksi, joten vaihtoehtoisten lähteiden kysymys on erittäin akuutti. Polttokennot ovat ylivoimaisesti lupaavin suunta. Niiden toimintaperiaatteen löysi jo vuonna 1839 William Grove, joka tuotti sähköä muuttamalla veden elektrolyysiä.

Video: Dokumentti, liikenteen polttokennot: menneisyys, nykyisyys, tulevaisuus

Polttokennot kiinnostavat autonvalmistajia, ja myös tekijät ovat kiinnostuneita niistä. avaruusaluksia. Vuonna 1965 Amerikka jopa testasi niitä avaruuteen lähetetyllä Gemini 5:llä ja myöhemmin Apollolla. Polttokennotutkimukseen investoidaan miljoonia dollareita vielä tänäkin päivänä, kun ympäristön saastumiseen liittyvät ongelmat lisääntyvät fossiilisten polttoaineiden poltosta aiheutuviin kasvihuonekaasupäästöihin, joiden varastot eivät myöskään ole loputtomat.

Polttokenno, jota usein kutsutaan sähkökemialliseksi generaattoriksi, toimii alla kuvatulla tavalla.

Se on akkujen ja paristojen tapaan galvaaninen kenno, mutta sillä erolla, että aktiiviset aineet varastoidaan siihen erikseen. Ne tulevat elektrodeille sitä mukaa kun niitä käytetään. Negatiivisella elektrodilla palaa luonnonpolttoaine tai mikä tahansa siitä saatu aine, joka voi olla kaasumaista (esim. vety ja hiilimonoksidi) tai nestemäistä, kuten alkoholit. Positiivisella elektrodilla happi yleensä reagoi.

Mutta yksinkertaisen näköistä toimintaperiaatetta ei ole helppo muuntaa todellisuudeksi.

DIY polttokenno

Video: DIY vetypolttokenno

Valitettavasti meillä ei ole kuvia siitä, miltä tämän polttoaine-elementin pitäisi näyttää, toivomme mielikuvitustasi.

Pienitehoinen polttokenno omilla käsillä voidaan valmistaa jopa koulun laboratoriossa. Sinun täytyy varata vanha kaasunaamari, muutama pala pleksilasia, lipeää ja vesiliuos etyylialkoholi (yksinkertaisemmin vodka), joka toimii polttokennon "polttoaineena".

Ensinnäkin polttokennolle tarvitset kotelon, joka on parasta tehdä vähintään viiden millimetrin paksuisesta pleksilasista. Sisäiset väliseinät (viisi lokeroa sisällä) voidaan tehdä hieman ohuemmaksi - 3 cm. Pleksilasin liimaamiseen käytetään seuraavan koostumuksen liimaa: kuusi grammaa pleksilastuja liuotetaan sataan grammaan kloroformia tai dikloorietaania (ne toimivat konepellin alla ).

Ulkoseinään on nyt tarpeen porata reikä, johon sinun on asetettava tyhjennyslasiputki, jonka halkaisija on 5-6 senttimetriä kumitulpan läpi.

Kaikki tietävät, että jaksollisessa taulukossa vasemmassa alakulmassa on aktiivisimmat metallit ja korkea-aktiiviset metalloidit ovat taulukossa oikeassa yläkulmassa, ts. kyky luovuttaa elektroneja kasvaa ylhäältä alas ja oikealta vasemmalle. Elementit, jotka voivat tietyissä olosuhteissa ilmetä metalleina tai metalloideina, ovat taulukon keskellä.

Nyt kaadetaan toiseen ja neljänteen osastoon kaasunaamarista Aktiivihiili(ensimmäisen osion ja toisen sekä kolmannen ja neljännen välissä), jotka toimivat elektrodeina. Jotta hiili ei valuisi reikien läpi, se voidaan laittaa nylonkankaaseen (naisten nylonsukkahousut käyvät). SISÄÄN

Polttoaine kiertää ensimmäisessä kammiossa, viidennessä tulisi olla hapen toimittaja - ilma. Elektrodien välissä on elektrolyytti, ja jotta se ei pääse vuotamaan ilmakammioon, se on liotettava parafiiniliuoksella bensiinissä (suhde 2 grammaa parafiinia puoleen lasilliseen bensiiniä) ennen kuin täytät neljännen kammion hiilellä ilmaelektrolyyttiä varten. Hiilikerrokselle on asetettava (hieman puristavia) kuparilevyjä, joihin johdot juotetaan. Niiden kautta virta ohjataan elektrodeilta.

Jäljelle jää vain elementin lataaminen. Tätä varten tarvitaan vodkaa, joka on laimennettava vedellä suhteessa 1: 1. Lisää sitten varovasti kolmesataa-kolmesataaviisikymmentä grammaa kaustista kaliumia. Elektrolyyttiä varten 70 grammaa kaustista kaliumia liuotetaan 200 grammaan vettä.

Polttokenno on valmis testattavaksi. Nyt sinun on kaada samanaikaisesti polttoainetta ensimmäiseen kammioon ja elektrolyyttiä kolmanteen. Elektrodeihin kiinnitetyn volttimittarin pitäisi näyttää 07 volttia 0,9 volttiin. Elementin jatkuvan toiminnan varmistamiseksi on välttämätöntä tyhjentää käytetty polttoaine (tyhjentää lasiin) ja lisätä uutta polttoainetta (kumiputken kautta). Syöttönopeutta säädetään puristamalla putkea. Tältä näyttää polttokennon toiminta laboratorio-olosuhteissa, jonka teho on ymmärrettävästi pieni.

Video: Polttokenno tai ikuinen akku kotona

Tehon lisäämiseksi tiedemiehet ovat työskennelleet tämän ongelman parissa pitkään. Metanoli ja etanolipolttokennot sijaitsevat aktiivisen kehitysteräksen päällä. Mutta valitettavasti toistaiseksi ei ole mahdollista toteuttaa niitä käytännössä.

Miksi polttokenno on valittu vaihtoehtoiseksi voimanlähteeksi?

Vaihtoehtoiseksi voimanlähteeksi valittiin polttokenno, koska siinä vedyn palamisen lopputuote on vesi. Ongelmana on vain löytää halpa ja tehokas tapa tuottaa vetyä. Vetygeneraattoreiden ja polttokennojen kehittämiseen sijoitetut valtavat varat eivät siis voi olla kantamatta hedelmää teknologinen läpimurto ja niiden todellinen käyttö jokapäiväisessä elämässä, vain ajan kysymys.

Jo tänään autoteollisuuden hirviöt: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard esittelevät linja-autoja ja autoja, jotka toimivat polttokennoilla, joiden teho on enintään 50 kW. Mutta niiden turvallisuuteen, luotettavuuteen ja kustannuksiin liittyviä ongelmia ei ole vielä ratkaistu. Kuten jo mainittiin, toisin kuin perinteiset virtalähteet - akut ja akut, tässä tapauksessa hapetin ja polttoaine syötetään ulkopuolelta, ja polttokenno on vain välittäjä käynnissä olevassa reaktiossa polttoaineen polttamiseksi ja vapautuneen energian muuntamiseksi sähköksi. . "Palovamma" tapahtuu vain, jos elementti antaa virran kuormaan, kuten dieselsähkögeneraattori, mutta ilman generaattoria ja dieseliä ja myös ilman melua, savua ja ylikuumenemista. Samaan aikaan tehokkuus on paljon suurempi, koska välimekanismeja ei ole.

Video: Vetypolttokennoauto

Nanoteknologian ja nanomateriaalien käyttöön asetetaan suuria toiveita, joka auttaa pienentämään polttokennoja ja lisäämään niiden tehoa. On raportoitu, että on luotu erittäin tehokkaita katalyyttejä sekä polttokennomalleja, joissa ei ole kalvoja. Niissä yhdessä hapettimen kanssa polttoainetta (esimerkiksi metaania) syötetään elementtiin. Mielenkiintoisia ovat ratkaisut, joissa hapettavana aineena käytetään veteen liuennutta happea ja polttoaineena saastuneisiin vesiin kertyviä orgaanisia epäpuhtauksia. Nämä ovat niin sanottuja biopolttokennoja.

Polttokennot voivat asiantuntijoiden mukaan tulla massamarkkinoille tulevina vuosina