Hur bränsleceller fungerar. Vad är bränsleceller
PÅ modernt liv kemiska strömkällor finns runt omkring oss: batterier i ficklampor, batterier i mobiltelefoner, vätebränsleceller, som redan används i vissa bilar. Den snabba utvecklingen av elektrokemisk teknik kan leda till att vi inom en snar framtid, istället för bensindrivna bilar, bara kommer att vara omgivna av elfordon, telefoner kommer inte längre att laddas ur snabbt och varje hus kommer att ha sin egen bränslecellselektriska generator. Ett av de gemensamma programmen för Ural Federal University med Institutet för högtemperaturelektrokemi vid Ural-grenen av den ryska vetenskapsakademin, i samarbete med vilket vi publicerar denna artikel, ägnas åt att förbättra effektiviteten hos elektrokemisk lagring och kraftgeneratorer .
Idag är det många olika typer batterier, bland vilka det blir allt svårare att navigera. Det är långt ifrån klart för alla hur ett batteri skiljer sig från en superkondensator och varför en vätebränslecell kan användas utan rädsla för att skada miljön. I den här artikeln kommer vi att prata om hur kemiska reaktioner används för att generera elektricitet, vad är skillnaden mellan huvudtyperna av moderna kemiska strömkällor och vilka möjligheter som öppnar upp för elektrokemisk energi.
Kemi som en källa till elektricitet
Låt oss först titta på varför kemisk energi överhuvudtaget kan användas för att generera elektricitet. Saken är den att i redoxreaktioner överförs elektroner mellan två olika joner. Om två halvor kemisk reaktion sprids i rymden så att oxidation och reduktion sker separat från varandra, då är det möjligt att se till att en elektron som bryter sig loss från en jon inte omedelbart faller på den andra, utan först passerar längs en för den förutbestämd väg. Denna reaktion kan användas som en källa för elektrisk ström.
Detta koncept implementerades först på 1700-talet av den italienske fysiologen Luigi Galvani. Verkan hos en traditionell galvanisk cell är baserad på reaktionerna av reduktion och oxidation av metaller med olika aktivitet. Till exempel är en klassisk cell en galvanisk cell där zink oxideras och koppar reduceras. Reduktions- och oxidationsreaktionerna äger rum vid katoden respektive anoden. Och för att koppar- och zinkjoner inte ska hamna i "främmande territorium", där de kan reagera med varandra direkt, placeras vanligtvis ett speciellt membran mellan anoden och katoden. Som ett resultat uppstår en potentialskillnad mellan elektroderna. Om du ansluter elektroderna, till exempel med en glödlampa, börjar ström att flyta i den resulterande elektriska kretsen och glödlampan tänds.
Diagram över en galvanisk cell
Wikimedia Commons
Förutom materialen i anoden och katoden är en viktig komponent i den kemiska strömkällan elektrolyten, inuti vilken joner rör sig och på vars gräns alla elektrokemiska reaktioner fortsätter med elektroderna. I det här fallet behöver elektrolyten inte vara flytande - det kan vara både en polymer och ett keramiskt material.
Den största nackdelen med en galvanisk cell är dess begränsade drifttid. Så snart reaktionen går till slutet (det vill säga hela den gradvis upplösande anoden är helt förbrukad), kommer ett sådant element helt enkelt att sluta fungera.
Finger alkaliska batterier
Uppladdningsbar
Det första steget mot att utöka kapaciteten hos kemiska strömkällor var skapandet av ett batteri – en strömkälla som kan laddas och därför återanvändas. För att göra detta föreslog forskare helt enkelt att använda reversibla kemiska reaktioner. Efter att ha laddat ur batteriet helt för första gången, med hjälp av en extern strömkälla, kan reaktionen som har skett i det startas i motsatt riktning. Detta kommer att återställa det ursprungliga tillståndet så att batteriet kan användas igen efter laddning.
Blybatteri för fordon
Hittills har många olika typer av batterier skapats, som skiljer sig åt i vilken typ av kemisk reaktion som äger rum i dem. De vanligaste typerna av batterier är blybatterier (eller helt enkelt bly) som är baserade på blyets oxidationsreduktionsreaktion. Sådana enheter har en ganska lång livslängd, och deras energiförbrukning är upp till 60 wattimmar per kilogram. Ännu mer populärt i senare tidär litiumjonbatterier baserade på litiumredoxreaktionen. Energiintensiteten hos moderna litiumjonbatterier överstiger nu 250 wattimmar per kilogram.
Li-ion batteri för mobiltelefon
De största problemen med litiumjonbatterier är deras låga effektivitet vid låga temperaturer, snabba åldrande och ökad explosivitet. Och på grund av att litiummetall reagerar mycket aktivt med vatten för att bilda vätgas och syre frigörs när batteriet brinner, är spontan förbränning av ett litiumjonbatteri mycket svår att använda med traditionella brandsläckningsmetoder. För att förbättra säkerheten för ett sådant batteri och påskynda laddningstiden föreslår forskare ett katodmaterial som förhindrar bildandet av dendritiska litiumstrukturer, och lägger till ämnen till elektrolyten som bildar explosiva strukturer och komponenter som antänds i de tidiga stadierna .
Fast elektrolyt
Som ett annat mindre självklart sätt att öka effektiviteten och säkerheten hos batterier har kemister föreslagit att inte begränsa sig till flytande elektrolyter i kemiska strömkällor, utan att skapa en helt och hållet solid state-strömkälla. I sådana anordningar finns det inga flytande komponenter alls, men det finns en skiktad struktur av en fast anod, en fast katod och en fast elektrolyt mellan dem. Elektrolyten utför samtidigt membranets funktion. Laddningsbärare i en fast elektrolyt kan vara olika joner, beroende på dess sammansättning och de reaktioner som sker på anoden och katoden. Men de är alltid tillräckligt små joner som kan röra sig relativt fritt genom kristallen, till exempel H+-protoner, Li+litiumjoner eller O 2- syrejoner.
Vätebränsleceller
Möjligheten att ladda och speciella säkerhetsåtgärder gör batterier till en mycket mer lovande strömkälla än konventionella batterier, men ändå innehåller varje batteri en begränsad mängd reagens inuti, och därför en begränsad tillgång på energi, och varje gång batteriet måste laddas om. för att återuppta dess prestanda.
För att göra ett batteri "oändligt" är det möjligt att använda som energikälla inte de ämnen som finns inuti cellen, utan bränsle som pumpas speciellt genom den. Bäst av allt är att ett ämne som är så enkelt som möjligt i sammansättning, miljövänligt och tillgängligt i överflöd på jorden är bäst lämpat som ett sådant bränsle.
Det lämpligaste ämnet av denna typ är vätgas. Dess oxidation med luftsyre för att bilda vatten (enligt reaktionen 2H 2 + O 2 → 2H 2 O) är en enkel redoxreaktion, och elektrontransport mellan joner kan också användas som strömkälla. Reaktionen som fortskrider i det här fallet är en slags omvänd reaktion på reaktionen av vattenelektrolys (där, under inverkan av en elektrisk ström, vatten sönderdelas till syre och väte), och för första gången föreslogs ett sådant schema tillbaka i mitten av 1800-talet.
Men trots att kretsen ser ganska enkel ut, är det inte alls en trivial uppgift att skapa en effektiv enhet baserad på denna princip. För att göra detta är det nödvändigt att separera flödena av syre och väte i rymden, säkerställa transporten av de nödvändiga jonerna genom elektrolyten och minska eventuella energiförluster i alla skeden av driften.
Schematiskt diagram över driften av en vätebränslecell
Schemat för en fungerande vätebränslecell är mycket lik schemat för en kemisk strömkälla, men innehåller ytterligare kanaler för tillförsel av bränsle och oxidationsmedel och avlägsnande av reaktionsprodukter och överskott av tillförda gaser. Elektroderna i ett sådant element är porösa ledande katalysatorer. Gasformigt bränsle (väte) tillförs anoden, och ett oxidationsmedel (syre från luften) tillförs katoden, och vid gränsen mellan var och en av elektroderna med elektrolyten sker en egen halvreaktion (oxidation av väte respektive reduktion av syre). I detta fall, beroende på typen av bränslecell och typen av elektrolyt, kan själva bildningen av vatten fortgå antingen i anod- eller katodutrymmet.
Toyota vätgasbränslecell
Joseph Brent / flickr
Om elektrolyten är en protonledande polymer eller keramiskt membran, en syra- eller alkalilösning, är laddningsbäraren i elektrolyten vätejoner. I detta fall oxideras molekylärt väte vid anoden till vätejoner, som passerar genom elektrolyten och reagerar med syre där. Om syrejonen O 2– är laddningsbäraren, som i fallet med en fast oxidelektrolyt, så reduceras syre till en jon vid katoden, denna jon passerar genom elektrolyten och oxiderar väte vid anoden för att bilda vatten och fri elektroner.
Utöver väteoxidationsreaktionen för bränsleceller föreslogs att andra typer av reaktioner skulle användas. Till exempel, istället för väte, kan det reducerande bränslet vara metanol, som oxideras av syre till koldioxid och vatten.
Bränslecellseffektivitet
Trots alla fördelar med vätebränsleceller (som miljövänlighet, praktiskt taget obegränsad effektivitet, kompakt storlek och hög energiintensitet) har de också ett antal nackdelar. Dessa inkluderar först och främst den gradvisa åldrandet av komponenterna och svårigheterna att lagra väte. Det är hur man kan eliminera dessa brister som forskare arbetar idag.
Det föreslås för närvarande att öka effektiviteten hos bränsleceller genom att ändra elektrolytens sammansättning, egenskaperna hos katalysatorelektroden och geometrin hos systemet (som ger tillförsel av bränslegaser till önskad punkt och minska biverkningar). För att lösa problemet med att lagra vätgas används material som innehåller platina, för mättnad av vilka till exempel grafenmembran.
Som ett resultat är det möjligt att uppnå en ökning av bränslecellens stabilitet och livslängden för dess individuella komponenter. Nu når koefficienten för omvandling av kemisk energi till elektrisk energi i sådana celler 80 procent, och under vissa förhållanden kan den vara ännu högre.
Enorma utsikter för väteenergi är förknippade med möjligheten att kombinera bränsleceller till hela batterier, förvandla dem till elektriska generatorer med hög effekt. Redan nu har elektriska generatorer som arbetar på vätebränsleceller en effekt på upp till flera hundra kilowatt och används som kraftkällor för fordon.
Alternativ elektrokemisk lagring
Förutom klassiska elektrokemiska strömkällor används också mer ovanliga system som energilagringsanordningar. Ett av dessa system är en superkondensator (eller jonistor) - en enhet där laddningsseparation och ackumulering sker på grund av bildandet av ett dubbelt lager nära en laddad yta. Vid gränssnittet mellan elektrod och elektrolyt i en sådan anordning radas joner av olika tecken upp i två lager, det så kallade "dubbla elektriska lagret", som bildar en sorts mycket tunn kondensator. Kapacitansen för en sådan kondensator, det vill säga mängden ackumulerad laddning, kommer att bestämmas av den specifika ytarean av elektrodmaterialet; därför är det fördelaktigt att ta porösa material med den maximala specifika ytan som material för superkondensatorer.
Jonistorer är mästare bland laddningsurladdnings kemiska strömkällor när det gäller laddningshastighet, vilket är en otvivelaktig fördel med denna typ av enhet. Tyvärr är de även rekordhållare vad gäller urladdningshastighet. Energitätheten hos jonistorer är åtta gånger mindre jämfört med blybatterier och 25 gånger mindre än litiumjonbatterier. Klassiska "dubbellager" jonistorer använder inte en elektrokemisk reaktion i sin kärna, och termen "kondensator" används mest exakt på dem. Men i de versioner av jonistorer, som är baserade på en elektrokemisk reaktion och laddningsackumulering sträcker sig in i elektrodens djup, är det möjligt att uppnå högre urladdningstider samtidigt som en snabb laddningshastighet bibehålls. Insatserna från utvecklare av superkondensatorer syftar till att skapa hybridenheter med batterier som kombinerar fördelarna med superkondensatorer, främst en hög laddningshastighet, och fördelarna med batterier - hög energiintensitet och lång urladdningstid. Föreställ dig inom en snar framtid ett jonistorbatteri som laddas på ett par minuter och driver en bärbar dator eller smartphone under en dag eller mer!
Trots det faktum att energitätheten för superkondensatorer fortfarande är flera gånger mindre än energitätheten för batterier, används de i konsumentelektronik och för motorer i olika fordon, inklusive de flesta.
* * *
Det finns alltså idag Ett stort antal elektrokemiska anordningar, som var och en är lovande för sina specifika tillämpningar. För att förbättra effektiviteten hos dessa enheter måste forskare lösa ett antal problem, både grundläggande och tekniska. De flesta av dessa uppgifter inom ramen för ett av genombrottsprojekten hanteras vid Ural Federal University, så vi frågade Maxim Ananiev, chef för Institutet för högtemperaturelektrokemi vid Ural-grenen av den ryska vetenskapsakademin, professor vid Institutionen för elektrokemisk produktionsteknik vid Institutet för kemisk teknologi vid Ural Federal University, för att prata om de omedelbara planerna och utsikterna för utvecklingen av moderna bränsleceller. .
N+1: Finns det ett alternativ till de mest populära Li-Ion-batterierna inom en snar framtid?
Maxim Ananiev: Moderna ansträngningar från batteriutvecklare syftar till att ersätta typen av laddningsbärare i elektrolyten från litium till natrium, kalium och aluminium. Som ett resultat av att ersätta litium kommer det att vara möjligt att minska kostnaden för batteriet, även om vikt- och storleksegenskaperna kommer att öka proportionellt. Med andra ord, för samma elektriska egenskaper kommer ett natriumjonbatteri att vara större och tyngre än ett litiumjonbatteri.
Dessutom är ett av de lovande utvecklingsområdena för att förbättra batterier skapandet av hybridkemiska energikällor baserade på kombinationen av metalljonbatterier med en luftelektrod, som i bränsleceller. I allmänhet kommer riktningen för att skapa hybridsystem, som redan har visats på exemplet med superkondensatorer, uppenbarligen tillåta oss att se kemiska energikällor med höga konsumentegenskaper på marknaden inom en snar framtid.
Ural Federal University, tillsammans med akademiska och industriella partners från Ryssland och världen, genomför för närvarande sex megaprojekt som är fokuserade på banbrytande områden inom vetenskaplig forskning. Ett av sådana projekt är "Perspektiv teknik för elektrokemisk energi från kemisk design av nya material till nya generationens elektrokemiska anordningar för energibesparing och energiomvandling".
En grupp forskare från Strategic Academic Unit (SAU) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, som inkluderar Maxim Ananiev, är engagerade i design och utveckling av nya material och teknologier, inklusive bränsleceller, elektrolytiska celler, metallgrafenbatterier, elektrokemiska kraftlagringssystem och superkondensatorer.
Forskning och vetenskapligt arbete utförs i ständigt samarbete med Institutet för högtemperaturelektrokemi vid Ural-grenen av den ryska vetenskapsakademin och med stöd av partners.
Vilka bränsleceller utvecklas just nu och har störst potential?
En av de mest lovande typerna av bränsleceller är protonkeramiska celler. De har fördelar jämfört med polymerbränsleceller med protonbytesmembran och fastoxidceller, eftersom de kan arbeta med en direkt tillförsel av kolvätebränsle. Detta förenklar avsevärt konstruktionen av ett kraftverk baserat på protonkeramiska bränsleceller och styrsystemet, och ökar därför driftsäkerheten. Visserligen är denna typ av bränsleceller historiskt sett mindre utvecklad för tillfället, men modern vetenskaplig forskning tillåter oss att hoppas på en hög potential för denna teknik i framtiden.
Vilka problem relaterade till bränsleceller hanteras nu vid Ural Federal University?
Nu arbetar UrFU-forskare, tillsammans med Institute of High-Temperature Electrochemistry (IHTE) vid Ural-grenen av den ryska vetenskapsakademin, på att skapa högeffektiva elektrokemiska enheter och autonoma kraftgeneratorer för tillämpningar inom distribuerad energi. Skapandet av kraftverk för distribuerad energi innebär initialt utvecklingen av hybridsystem baserade på en elektrisk kraftgenerator och en lagringsenhet, som är batterier. Samtidigt fungerar bränslecellen konstant och ger belastning under rusningstid, och i viloläge laddar den batteriet, som i sig kan fungera som reserv både vid hög strömförbrukning och i nödsituationer.
Kemister från Ural Federal University och IHTE uppnådde störst framgång i utvecklingen av fastoxid- och protonkeramiska bränsleceller. Sedan 2016 har den första ryska produktionen av kraftverk baserade på bränsleceller med fast oxid skapats i Ural, tillsammans med State Corporation Rosatom. Utvecklingen av Ural-forskarna har redan klarat "fälttester" vid den katodiska skyddsstationen för gasledningen på experimentplatsen för Uraltransgaz LLC. Kraftverket med en märkeffekt på 1,5 kilowatt har arbetat i mer än 10 tusen timmar och har visat en hög potential för användning av sådana enheter.
Inom ramen för det gemensamma laboratoriet för Ural Federal University och IHTE utvecklas elektrokemiska enheter baserade på ett protonledande keramiskt membran. Detta kommer att göra det möjligt att inom en snar framtid sänka driftstemperaturerna för bränsleceller med fast oxid från 900 till 500 grader Celsius och att överge den preliminära reformeringen av kolvätebränsle, vilket skapar kostnadseffektiva elektrokemiska generatorer som kan arbeta under förhållanden som utvecklat gasförsörjningsinfrastruktur i Ryssland.
Alexander Dubov
Mobilelektronik varje år, om inte en månad, blir mer tillgänglig och vanligare. Här har du bärbara datorer och handdatorer, och digitalkameror och mobiltelefoner, och en massa alla möjliga användbara och inte särskilt mycket enheter. Och alla dessa enheter får hela tiden nya funktioner, kraftfullare processorer, större färgskärmar, trådlös anslutning, samtidigt som de krymper i storlek. Men, till skillnad från halvledarteknologier, är kraftteknikerna i detta mobila menageri inte alls några språng.
Konventionella ackumulatorer och batterier räcker uppenbarligen inte till för att driva de senaste framstegen inom elektronikindustrin under någon betydande tid. Och utan pålitliga och rymliga batterier är hela poängen med rörlighet och trådlöshet förlorad. Så datorbranschen arbetar mer och mer aktivt med problemet alternativa kraftkällor. Och den hittills mest lovande riktningen här är bränsleceller.
Den grundläggande principen för bränsleceller upptäcktes av den brittiske forskaren Sir William Grove 1839. Han är känd som fadern till "bränslecellen". William Grove genererade elektricitet genom att byta till utvinning av väte och syre. Efter att ha kopplat bort batteriet från elektrolyscellen blev Grove förvånad över att finna att elektroderna började absorbera den frigjorda gasen och generera ström. Att öppna en process elektrokemisk "kall" förbränning av väte blev betydande händelse inom energisektorn och i framtiden spelade sådana välkända elektrokemister som Ostwald och Nernst en viktig roll i utvecklingen av de teoretiska grunderna och praktiska implementeringen av bränsleceller och förutspådde en stor framtid för dem.
Jag själv termen "bränslecell" (bränslecell) dök upp senare - det föreslogs 1889 av Ludwig Mond och Charles Langer, som försökte skapa en anordning för att generera elektricitet från luft och kolgas.
Vid normal förbränning i syre oxideras organiskt bränsle, och bränslets kemiska energi omvandlas ineffektivt till termisk energi. Men det visade sig vara möjligt att utföra en oxidationsreaktion, till exempel väte med syre, i en elektrolytmiljö och, i närvaro av elektroder, få en elektrisk ström. Till exempel, genom att tillföra väte till en elektrod i en alkalisk miljö, får vi elektroner:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
som passerar genom den externa kretsen, går in i den motsatta elektroden, till vilken syre kommer in och där reaktionen sker: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Det kan ses att den resulterande reaktionen 2H2 + O2 → H2O är densamma som vid konventionell förbränning, men i en bränslecell, eller på annat sätt - i elektrokemisk generator, erhålls en elektrisk ström med stor effektivitet och delvis värme. Observera att kol, kolmonoxid, alkoholer, hydrazin och andra organiska ämnen också kan användas som bränsle i bränsleceller och luft, väteperoxid, klor, brom, Salpetersyra etc.
Utvecklingen av bränsleceller fortsatte kraftfullt både utomlands och i Ryssland, och sedan i Sovjetunionen. Bland de forskare som har gjort ett stort bidrag till studiet av bränsleceller, noterar vi V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Kordes. I mitten av förra seklet började en ny attack mot bränslecellsproblem. Detta beror delvis på uppkomsten av nya idéer, material och teknologier som ett resultat av försvarsforskning.
En av forskarna som tog ett stort steg i utvecklingen av bränsleceller var P. M. Spiridonov. Väte-syreelement av Spiridonov gav en strömtäthet på 30 mA/cm2, vilket för den tiden ansågs vara en stor bedrift. På 1940-talet skapade O. Davtyan en installation för elektrokemisk förbränning av generatorgas erhållen genom kolförgasning. Från varje kubikmeter av elementets volym fick Davtyan 5 kW effekt.
Detta var första bränslecellen med fast elektrolyt. Den hade en hög verkningsgrad, men med tiden blev elektrolyten oanvändbar och den måste bytas. Därefter, i slutet av femtiotalet, skapade Davtyan en kraftfull installation som sätter traktorn i rörelse. Samma år designade och byggde den engelske ingenjören T. Bacon ett bränslecellsbatteri med en total effekt på 6 kW och en verkningsgrad på 80 %, som arbetade på rent väte och syre, men batteriets effekt-till-vikt-förhållande. visade sig vara för små - sådana celler var olämpliga för praktisk användning och för dyra.
Under de följande åren gick singlars tid. Skaparna av rymdfarkoster blev intresserade av bränsleceller. Sedan mitten av 1960-talet har miljontals dollar investerats i bränslecellsforskning. Arbetet från tusentals forskare och ingenjörer gjorde det möjligt att nå en ny nivå, och 1965. Bränslecellerna testades i USA på rymdfarkosten Gemini 5 och senare på rymdfarkosten Apollo för flygningar till månen och under Shuttle-programmet.
I Sovjetunionen utvecklades bränsleceller vid NPO Kvant, även för användning i rymden. Under dessa år har nya material redan dykt upp - fasta polymerelektrolyter baserade på jonbytarmembran, nya typer av katalysatorer, elektroder. Och ändå var arbetsströmtätheten liten - inom 100-200 mA/cm2, och platinainnehållet på elektroderna var flera g/cm2. Det fanns många problem relaterade till hållbarhet, stabilitet, säkerhet.
Nästa steg i den snabba utvecklingen av bränsleceller började på 1990-talet. förra århundradet och fortsätter än i dag. Det orsakas av behovet av nya effektiva energikällor i samband med å ena sidan det globala miljöproblemökade utsläpp av växthusgaser från förbränning av fossila bränslen och å andra sidan med utarmningen av sådana bränslen. Eftersom slutprodukten av väteförbränning i en bränslecell är vatten anses de vara de renaste när det gäller miljöpåverkan. Huvudproblemet är bara att hitta ett effektivt och billigt sätt att producera väte.
Finansiella miljardinvesteringar i utvecklingen av bränsleceller och vätgasgeneratorer bör leda till ett tekniskt genombrott och göra verklighet av deras användning i vardagen: i celler för mobiltelefoner, i bilar, i kraftverk. Redan för närvarande demonstrerar sådana biljättar som "Ballard", "Honda", "Daimler Chrysler", "General Motors" personbilar och bussar som kör på bränsleceller med en kapacitet på 50 kW. Ett antal företag har utvecklats demonstrationskraftverk på bränsleceller med fast oxidelektrolyt med en effekt på upp till 500 kW. Men trots ett betydande genombrott för att förbättra bränslecellers prestanda, finns det fortfarande många problem att lösa relaterade till deras kostnad, tillförlitlighet och säkerhet.
I en bränslecell, till skillnad från batterier och ackumulatorer, matas både bränslet och oxidationsmedlet in i den utifrån. Bränslecellen är bara en mellanhand i reaktionen och skulle under ideala förhållanden kunna pågå nästan för evigt. Det fina med denna teknik är att bränsle i själva verket förbränns i elementet och den energi som frigörs omvandlas direkt till elektricitet. Under direkt förbränning av bränsle oxideras det av syre, och den värme som frigörs i detta fall används för att utföra användbart arbete.
I en bränslecell, som i batterier, är reaktionerna av bränsleoxidation och syrereduktion rumsligt separerade, och "bränningsprocessen" sker endast om cellen levererar ström till lasten. Det är så dieselgenerator, endast utan diesel och generator. Och dessutom utan rök, buller, överhettning och med mycket högre effektivitet. Det senare förklaras av det faktum att det för det första inte finns några mellanliggande mekaniska anordningar och för det andra är bränslecellen inte en värmemotor och som ett resultat inte följer Carnots lag (det vill säga dess effektivitet bestäms inte av temperaturskillnaden).
Syre används som oxidationsmedel i bränsleceller. Dessutom, eftersom det finns tillräckligt med syre i luften, finns det ingen anledning att oroa sig för tillförseln av ett oxidationsmedel. När det gäller bränslet är det väte. Så i bränslecellen fortsätter reaktionen:
2H2 + O2 → 2H2O + el + värme.
Resultatet är användbar energi och vattenånga. Den enklaste i sin enhet är bränslecell för protonbytesmembran(se figur 1). Det fungerar enligt följande: vätet som kommer in i cellen sönderdelas under inverkan av en katalysator till elektroner och positivt laddade vätejoner H+. Då träder ett speciellt membran i funktion, som här spelar rollen som en elektrolyt i ett konventionellt batteri. På grund av sin kemiska sammansättning passerar den protoner genom sig själv, men håller kvar elektroner. Således skapar elektronerna som ackumuleras på anoden en överskott av negativ laddning, och vätejoner skapar en positiv laddning på katoden (spänningen på elementet är ca 1V).
För att skapa hög effekt monteras en bränslecell av många celler. Om du slår på elementet i lasten kommer elektronerna att flöda genom det till katoden, skapa en ström och slutföra processen för väteoxidation med syre. Som katalysator i sådana bränsleceller används som regel platinamikropartiklar avsatta på kolfiber. På grund av sin struktur passerar en sådan katalysator gas och elektricitet väl. Membranet är vanligtvis tillverkat av den svavelhaltiga polymeren Nafion. Membranets tjocklek är tiondels millimeter. Under reaktionen frigörs naturligtvis också värme, men det finns inte så mycket av det, så driftstemperaturen hålls i området 40-80 ° C.
Figur 1. Principen för driften av bränslecellen
Det finns andra typer av bränsleceller som huvudsakligen skiljer sig åt i vilken typ av elektrolyt som används. Nästan alla av dem kräver väte som bränsle, så den logiska frågan uppstår: var man kan få tag i det. Naturligtvis skulle det vara möjligt att använda komprimerat väte från cylindrar, men omedelbart finns det problem förknippade med transport och lagring av denna mycket brandfarliga gas under högt tryck. Naturligtvis kan du använda väte i bunden form, som i metallhydridbatterier. Men fortfarande kvarstår uppgiften med utvinning och transport, eftersom infrastrukturen för vätgastankstationer inte existerar.
Men det finns också en lösning här - flytande kolvätebränsle kan användas som vätgaskälla. Till exempel etyl- eller metylalkohol. Det är sant att en speciell extra anordning krävs redan här - en bränsleomvandlare, som vid hög temperatur (för metanol kommer det att vara någonstans runt 240 ° C) omvandlar alkoholer till en blandning av gasformig H2 och CO2. Men i det här fallet är det redan svårare att tänka på portabilitet - sådana enheter är bra att använda som stationära eller, men för kompakt mobil utrustning behöver du något mindre skrymmande.
Och här kommer vi till själva enheten, som utvecklas med fruktansvärd kraft av nästan alla de största elektroniktillverkarna - metanol bränslecell(Figur 2).
Fig.2. Principen för drift av bränslecellen på metanol
Den grundläggande skillnaden mellan väte- och metanolbränsleceller är katalysatorn som används. Katalysatorn i metanolbränslecellen gör att protoner kan abstraheras direkt från alkoholmolekylen. Därmed är problemet med bränsle löst - metylalkohol massproduceras för den kemiska industrin, den är lätt att lagra och transportera, och för att ladda en metanolbränslecell räcker det att helt enkelt byta ut bränslepatronen. Det är sant att det finns ett betydande minus - metanol är giftigt. Dessutom är verkningsgraden för en metanolbränslecell mycket lägre än för en vätebränslecell.
Ris. 3. Metanolbränslecell
Det mest frestande alternativet är att använda etylalkohol som bränsle, eftersom produktion och distribution av alkoholhaltiga drycker oavsett sammansättning och styrka är väletablerad genomgående Globen. Emellertid är effektiviteten hos etanolbränsleceller, tyvärr, ännu lägre än för metanolbränsleceller.
Som noterats under många år av bränslecellsutveckling har olika typer av bränsleceller byggts. Bränsleceller klassificeras efter elektrolyt och typ av bränsle.
1. Fast polymer väte-syreelektrolyt.
2. Fast polymer metanolbränsleceller.
3. Grundämnen på alkalisk elektrolyt.
4. Fosforsyrabränsleceller.
5. Bränsleceller på smält karbonater.
6. Fastoxidbränsleceller.
Helst är effektiviteten hos bränsleceller mycket hög, men under verkliga förhållanden finns det förluster förknippade med icke-jämviktsprocesser, såsom: ohmska förluster på grund av elektrolytens och elektrodernas specifika konduktivitet, aktivering och koncentrationspolarisation, diffusionsförluster. Som ett resultat omvandlas en del av den energi som genereras i bränsleceller till värme. Specialisters insatser syftar till att minska dessa förluster.
Den huvudsakliga källan till ohmska förluster, såväl som orsaken till det höga priset på bränsleceller, är perfluorerade sulfokationiska jonbytarmembran. Nu söker man efter alternativa, billigare protonledande polymerer. Eftersom ledningsförmågan hos dessa membran (fasta elektrolyter) når ett acceptabelt värde (10 Ω/cm) endast i närvaro av vatten, måste gaserna som tillförs bränslecellen ytterligare fuktas i en speciell anordning, vilket också ökar kostnaden för systemet. I katalytiska gasdiffusionselektroder används huvudsakligen platina och vissa andra ädelmetaller, och hittills har man inte hittat någon ersättning för dem. Även om innehållet av platina i bränsleceller är några mg/cm2, för stora batterier når mängden tiotals gram.
Vid design av bränsleceller ägnas mycket uppmärksamhet åt värmeavlägsningssystemet, eftersom systemet självuppvärms vid höga strömtätheter (upp till 1 A/cm2). För kylning används vatten som cirkulerar i bränslecellen genom speciella kanaler, och vid låg effekt blåses luft.
Så det moderna systemet för en elektrokemisk generator, förutom själva bränslecellsbatteriet, är "övervuxet" med många hjälpanordningar, såsom: pumpar, en kompressor för tillförsel av luft, inloppsväte, en gasbefuktare, en kylenhet, ett kontrollsystem för gasläckage, en DC-till-AC-omvandlare, en kontrollprocessor och andra. Allt detta leder till att kostnaden för bränslecellsystemet 2004-2005 var 2-3 tusen $/kW. Enligt experter kommer bränsleceller att bli tillgängliga för användning i transporter och i stationära kraftverk till ett pris av $50-100/kW.
För att introducera bränsleceller i vardagen, tillsammans med billigare komponenter, bör man förvänta sig nya originella idéer och tillvägagångssätt. I synnerhet förknippas stora förhoppningar med användningen av nanomaterial och nanoteknik. Till exempel tillkännagav flera företag nyligen skapandet av ultraeffektiva katalysatorer, särskilt för syreelektroden, baserade på kluster av nanopartiklar från olika metaller. Dessutom har det förekommit rapporter om icke-membranbränslecellkonstruktioner där ett flytande bränsle (t.ex. metanol) matas in i bränslecellen tillsammans med ett oxidationsmedel. Av intresse är också det utvecklade konceptet med biobränsleceller som arbetar i förorenat vatten och förbrukar löst luftsyre som oxidationsmedel, och organiska föroreningar som bränsle.
Experter förutspår att bränsleceller kommer att komma in på massmarknaden under de kommande åren. Faktum är att utvecklarna efter varandra övervinner tekniska problem, rapporterar om framgångar och presenterar bränslecellsprototyper. Till exempel visade Toshiba en färdig metanolbränslecellsprototyp. Den har en storlek på 22x56x4,5mm och ger en effekt på cirka 100mW. En påfyllning av 2 kuber koncentrerad (99,5 %) metanol räcker för 20 timmars användning av MP3-spelare. Toshiba har släppt en kommersiell bränslecell för att driva mobiltelefoner. Återigen demonstrerade samma Toshiba ett 275x75x40 mm strömförsörjningselement för bärbar dator, som gör att datorn kan arbeta i 5 timmar från en laddning.
Inte långt efter Toshiba och ett annat japanskt företag - Fujitsu. 2004 introducerade hon också ett grundämne som fungerar på en 30% vattenlösning av metanol. Denna bränslecell körde på en enda 300 ml påfyllning i 10 timmar och producerade samtidigt 15 watt effekt.
Casio utvecklar en bränslecell där metanol först bearbetas till en blandning av H2- och CO2-gaser i en miniatyrbränsleomvandlare och sedan matas in i bränslecellen. Under demon drev Casio-prototypen en bärbar dator i 20 timmar.
Samsung gjorde sig också ett namn inom bränsleceller - 2004 demonstrerade den sin 12 W prototyp designad för att driva en bärbar dator. Generellt har Samsung för avsikt att använda bränsleceller, först och främst i fjärde generationens smartphones.
Jag måste säga att japanska företag i allmänhet närmade sig utvecklingen av bränsleceller mycket grundligt. Redan 2003 gick företag som Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony och Toshiba samman för att utveckla en gemensam bränslecellsstandard för bärbara datorer, mobiltelefoner, handdatorer och andra elektroniska enheter. Amerikanska företag, som det också finns många av på denna marknad, arbetar mestadels under kontrakt med militären och utvecklar bränsleceller för att elektrifiera amerikanska soldater.
Tyskarna är inte långt efter - företaget Smart Fuel Cell säljer bränsleceller för att driva ett mobilt kontor. Enheten heter Smart Fuel Cell C25, har måtten 150x112x65mm och kan producera upp till 140 wattimmar på en laddning. Detta räcker för att driva den bärbara datorn i cirka 7 timmar. Då kan patronen bytas ut och du kan fortsätta jobba. Storleken på metanolpatronen är 99x63x27 mm och den väger 150g. Själva systemet väger 1,1 kg, så du kan inte kalla det helt portabelt, men det är ändå en helt färdig och bekväm enhet. Företaget utvecklar också en bränslemodul för att driva professionella videokameror.
Generellt sett har bränsleceller nästan kommit in på marknaden för mobilelektronik. Tillverkare måste lösa de sista tekniska problemen innan massproduktion påbörjas.
Först är det nödvändigt att lösa frågan om miniatyrisering av bränsleceller. När allt kommer omkring, ju mindre bränslecellen är, desto mindre kraft kan den producera - så nya katalysatorer och elektroder utvecklas ständigt som gör det möjligt att, med små storlekar, maximera arbetsytan. Här kommer den senaste utvecklingen inom området nanoteknik och nanomaterial (till exempel nanorör) väl till pass. Återigen, för miniatyrisering av rörledningar av element (bränsle- och vattenpumpar, kylsystem och bränsleomvandling), används mikroelektromekanikens prestationer alltmer.
Den andra viktiga frågan som måste tas upp är priset. När allt kommer omkring används mycket dyr platina som katalysator i de flesta bränsleceller. Återigen, några av tillverkarna försöker få ut det mesta av redan väletablerade kiselteknologier.
När det gäller andra användningsområden för bränsleceller har bränsleceller redan etablerat sig där, även om de ännu inte har blivit mainstream varken inom energisektorn eller inom transportsektorn. Redan har många biltillverkare presenterat sina bränslecellsdrivna konceptbilar. Bränslecellsbussar går i flera städer runt om i världen. Kanadensiska Ballard Power Systems släpper hela raden stationära generatorer med effekt från 1 till 250 kW. Samtidigt är kilowattgeneratorer utformade för att omedelbart förse en lägenhet med el, värme och varmvatten.
bränsleceller Bränsleceller är kemiska kraftkällor. De utför direkt omvandling av bränsleenergi till elektricitet och kringgår ineffektiva förbränningsprocesser med hög förlust. Denna elektrokemiska anordning, som ett resultat av högeffektiv "kall" förbränning av bränsle, genererar direkt elektricitet.
Biokemister har fastställt att en biologisk väte-syrebränslecell är "inbyggd i" var och en levande cell(se kapitel 2).
Källan till väte i kroppen är mat - fetter, proteiner och kolhydrater. I magen, tarmarna och cellerna sönderfaller den så småningom till monomerer, som i sin tur, efter en rad kemiska omvandlingar, ger väte fäst vid bärarmolekylen.
Syre från luften kommer in i blodet genom lungorna, kombineras med hemoglobin och transporteras till alla vävnader. Processen att kombinera väte med syre är grunden för kroppens bioenergi. Här, under milda förhållanden (rumstemperatur, normalt tryck, vattenmiljö), omvandlas kemisk energi med hög effektivitet till termisk, mekanisk (muskelrörelse), elektricitet ( elektrisk Stingray), ljus (insekter avger ljus).
Människan upprepade återigen anordningen för att få energi skapad av naturen. Samtidigt indikerar detta faktum utsikterna för riktningen. Alla processer i naturen är mycket rationella, så steg mot verklig användning av bränsleceller inger hopp om energiframtiden.
Upptäckten 1838 av en väte-syrebränslecell tillhör den engelske vetenskapsmannen W. Grove. När han undersökte nedbrytningen av vatten till väte och syre upptäckte han en bieffekt - elektrolysören producerade en elektrisk ström.
Vad brinner i en bränslecell?
Fossila bränslen (kol, gas och olja) är till största delen kol. Under förbränning förlorar bränsleatomer elektroner och luftsyreatomer får dem. Så i oxidationsprocessen kombineras kol- och syreatomer till förbränningsprodukter - koldioxidmolekyler. Denna process är kraftfull: atomerna och molekylerna i de ämnen som är involverade i förbränning får höga hastigheter, och detta leder till en ökning av deras temperatur. De börjar avge ljus - en låga dyker upp.
Den kemiska reaktionen av kolförbränning har formen:
C + O2 = CO2 + värme
I förbränningsprocessen omvandlas kemisk energi till termisk energi på grund av utbytet av elektroner mellan bränslets atomer och oxidationsmedlet. Detta utbyte sker slumpmässigt.
Förbränning är utbyte av elektroner mellan atomer, och elektrisk ström är den riktade rörelsen av elektroner. Om elektronerna under en kemisk reaktion tvingas utföra arbete, kommer temperaturen i förbränningsprocessen att minska. I FC tas elektroner från reaktanterna vid en elektrod, de ger upp sin energi i form av en elektrisk ström och förenar reaktanterna vid den andra.
Grunden för varje HIT är två elektroder sammankopplade med en elektrolyt. En bränslecell består av en anod, en katod och en elektrolyt (se kap. 2). Oxiderar vid anoden, dvs. donerar elektroner, reduktionsmedlet (CO eller H2-bränsle), fria elektroner från anoden kommer in i den externa kretsen och positiva joner hålls kvar vid anod-elektrolytgränssnittet (CO+, H+). Från andra änden av kedjan närmar sig elektronerna katoden, på vilken reduktionsreaktionen sker (tillsats av elektroner av oxidationsmedlet O2–). Oxidantjonerna förs sedan av elektrolyten till katoden.
I FC sammanförs tre faser av det fysikalisk-kemiska systemet:
gas (bränsle, oxidationsmedel);
elektrolyt (ledare av joner);
metallelektrod (ledare av elektroner).
I bränsleceller omvandlas redoxreaktionens energi till elektrisk energi, och processerna för oxidation och reduktion separeras rumsligt av en elektrolyt. Elektroderna och elektrolyten deltar inte i reaktionen, men i verkliga konstruktioner blir de förorenade med bränsleföroreningar med tiden. Elektrokemisk förbränning kan ske vid låga temperaturer och praktiskt taget utan förluster. På fig. p087 visar situationen då en blandning av gaser (CO och H2) kommer in i bränslecellen, d.v.s. det kan bränna gasformigt bränsle (se kap. 1). Således visar sig TE vara "allätande".
Användningen av bränsleceller kompliceras av att bränsle måste ”förberedas” för dem. För bränsleceller erhålls väte genom omvandling av organiskt bränsle eller kolförgasning. Därför inkluderar strukturdiagrammet för ett kraftverk på en bränslecell, förutom bränslecellens batterier, DC-till-AC-omvandlaren (se kapitel 3) och hjälputrustning, en väteproduktionsenhet.
Två riktningar för FC-utveckling
Det finns två användningsområden för bränsleceller: autonom och storskalig energi.
För autonom användning är specifika egenskaper och användarvänlighet de viktigaste. Kostnaden för genererad energi är inte huvudindikatorn.
För stor kraftproduktion är effektiviteten en avgörande faktor. Dessutom ska installationer vara hållbara, inte innehålla dyra material och användning naturligt bränsle med minimala utbildningskostnader.
De största fördelarna erbjuder användningen av bränsleceller i en bil. Här, som ingen annanstans, kommer kompaktheten hos bränsleceller att påverka. Med direkt mottagande av el från bränsle kommer besparingen av det senare att vara cirka 50%.
För första gången formulerades idén om att använda bränsleceller i storskalig kraftteknik av den tyske vetenskapsmannen W. Oswald 1894. Senare utvecklades idén om att skapa effektiva källor för autonom energi baserade på en bränslecell.
Därefter gjordes upprepade försök att använda kol som aktiv substans i bränsleceller. På 1930-talet skapade den tyske forskaren E. Bauer en laboratorieprototyp av en bränslecell med en fast elektrolyt för direkt anodisk oxidation av kol. Samtidigt studerades syre-vätebränsleceller.
1958, i England, skapade F. Bacon den första syre-väte-anläggningen med en kapacitet på 5 kW. Men det var besvärligt på grund av användningen av högt gastryck (2 ... 4 MPa).
Sedan 1955 har K. Kordesh utvecklat lågtemperatursyre-vätebränsleceller i USA. De använde kolelektroder med platinakatalysatorer. I Tyskland arbetade E. Yust med att skapa icke-platinakatalysatorer.
Efter 1960 skapades demonstrations- och reklamprover. Den första praktiska tillämpningen av bränsleceller hittades på rymdfarkosten Apollo. De var de viktigaste kraftverken för att driva utrustningen ombord och försåg astronauterna med vatten och värme.
De huvudsakliga användningsområdena för autonoma installationer med bränsleceller var militära och sjötillämpningar. I slutet av 1960-talet minskade volymen av forskning om bränsleceller och efter 1980-talet ökade den igen i förhållande till storskalig energi.
VARTA har utvecklat FC med dubbelsidiga gasdiffusionselektroder. Elektroder av denna typ kallas "Janus". Siemens har utvecklat elektroder med krafttäthet upp till 90 W/kg. I USA utförs arbetet med syre-väteceller av United Technology Corp.
Inom den storskaliga kraftindustrin är användningen av bränsleceller för storskalig energilagring, till exempel framställning av väte (se kap. 1), mycket lovande. (sol och vind) sprids (se kap. 4). Deras seriösa användning, som är oumbärlig i framtiden, är otänkbar utan rymliga batterier som lagrar energi i en eller annan form.
Problemet med ackumulering är redan aktuellt idag: dagliga och veckovisa fluktuationer i belastningen av kraftsystem minskar avsevärt deras effektivitet och kräver den så kallade manövrerbara kapaciteten. Ett av alternativen för en elektrokemisk energilagring är en bränslecell i kombination med elektrolysatorer och gashållare*.
* Gashållare [gas + engelska. hållare] - lager för stora mängder gas.
Den första generationen av TE
Medeltemperaturbränsleceller av den första generationen, som arbetar vid en temperatur på 200...230°C på flytande bränsle, naturgas eller tekniskt väte*, har nått den största tekniska perfektion. Elektrolyten i dem är fosforsyra, som fyller den porösa kolmatrisen. Elektroderna är gjorda av kol och katalysatorn är platina (platina används i mängder i storleksordningen några gram per kilowatt effekt).
* Kommersiellt väte är en omvandlingsprodukt för fossila bränslen som innehåller mindre föroreningar av kolmonoxid.
Ett sådant kraftverk togs i drift i delstaten Kalifornien 1991. Den består av arton batterier som väger 18 ton vardera och är placerad i en låda med en diameter på drygt 2 m och en höjd på ca 5 m. Batteribytesproceduren har tänkts ut med hjälp av en ramkonstruktion som rör sig längs skenor.
USA levererade två kraftverk till Japan till Japan. Den första av dem lanserades i början av 1983. Stationens operativa prestanda motsvarade de beräknade. Hon arbetade med en belastning på 25 till 80 % av det nominella. Verkningsgraden nådde 30...37% - detta är nära moderna stora värmekraftverk. Dess starttid från kallt tillstånd är från 4 timmar till 10 minuter, och varaktigheten av effektändringen från noll till full är bara 15 sekunder.
Nu i olika delar av USA testas små kraftvärmeverk med en kapacitet på 40 kW med en bränsleutnyttjandefaktor på cirka 80 %. De kan värma vatten upp till 130°C och placeras i tvättstugor, idrottsanläggningar, kommunikationspunkter etc. Ett hundratal installationer har redan fungerat i sammanlagt hundratusentals timmar. FC-kraftverkens miljövänlighet gör att de kan placeras direkt i städer.
Det första bränslekraftverket i New York, med en kapacitet på 4,5 MW, upptog en yta på 1,3 hektar. Nu behövs för nya anläggningar med en kapacitet på två och en halv gånger mer en plats på 30x60 m. Flera demonstrationskraftverk med en kapacitet på 11 MW byggs. Byggtiden (7 månader) och den yta (30x60 m) som upptas av kraftverket är slående. Den beräknade livslängden för nya kraftverk är 30 år.
Andra och tredje generationens TE
Bästa egenskaperna redan konstruerade modulära anläggningar med en kapacitet på 5 MW med medeltemperaturbränsleceller av andra generationen. De arbetar vid temperaturer på 650...700°C. Deras anoder är gjorda av sintrade partiklar av nickel och krom, katoder är gjorda av sintrad och oxiderad aluminium, och elektrolyten är en blandning av litium- och kaliumkarbonater. Förhöjd temperatur hjälper till att lösa två stora elektrokemiska problem:
minska "förgiftningen" av katalysatorn med kolmonoxid;
öka effektiviteten av processen för reduktion av oxidationsmedlet vid katoden.
Högtemperaturbränsleceller av tredje generationen med en elektrolyt av fasta oxider (främst zirkoniumdioxid) kommer att bli ännu effektivare. Deras driftstemperatur är upp till 1000°C. Verkningsgraden för kraftverk med sådana bränsleceller är nära 50 %. Här är produkterna från förgasning av stenkol med ett betydande innehåll av kolmonoxid också lämpliga som bränsle. Lika viktigt är att spillvärme från högtemperaturanläggningar kan användas för att producera ånga för att driva turbiner för elektriska generatorer.
Vestingaus har varit i branschen för bränsleceller med fast oxid sedan 1958. Den utvecklar kraftverk med en kapacitet på 25 ... 200 kW, där gasformigt bränsle från kol kan användas. Försöksanläggningar med en kapacitet på flera megawatt förbereds för testning. Ett annat amerikanskt företag, Engelgurd, designar bränsleceller på 50 kW som drivs på metanol med fosforsyra som elektrolyt.
Fler och fler företag över hela världen är involverade i skapandet av bränsleceller. Amerikanska United Technology och japanska Toshiba bildade International Fuel Cells Corporation. I Europa är det belgisk-holländska konsortiet Elenko, det västtyska företaget Siemens, italienska Fiat och britten Jonson Metju sysselsatta med bränsleceller.
Victor LAVRUS.
Om du gillade detta material, erbjuder vi dig ett urval av de bästa materialen på vår sida enligt våra läsare. Urval - TOPPEN om miljövänlig teknik, ny vetenskap och vetenskapliga upptäckter du kan hitta där det är mest praktiskt för digDen senaste tiden har ämnet bränsleceller varit på allas läppar. Och detta är inte förvånande, med tillkomsten av denna teknik i elektronikens värld har den hittat en ny födelse. Världsledare inom området för mikroelektronik tävlar om att presentera prototyper av sina framtida produkter, som kommer att integrera sina egna minikraftverk. Detta bör å ena sidan försvaga mobila enheters bindning till "uttaget", och å andra sidan förlänga deras batteritid.
Dessutom arbetar några av dem på basis av etanol, så utvecklingen av dessa teknologier är till direkt fördel för producenterna av alkoholhaltiga drycker - om ett dussin år står köer av "IT-män" bakom nästa "dos" för deras laptop kommer att ställa upp vid vindestilleriet.
Vi kan inte hålla oss borta från "febern" av bränsleceller som har gripit högteknologiska industrin, och vi kommer att försöka ta reda på vilken sorts best den här tekniken är, vad den äts med och när vi kan förvänta oss att den kommer till "catering". I den här artikeln kommer vi att titta på bränslecellernas väg från upptäckten av denna teknik till idag. Vi kommer också att försöka bedöma utsikterna för deras implementering och utveckling i framtiden.
Hur det var
Principen för en bränslecell beskrevs först 1838 av Christian Friedrich Schonbein, och ett år senare publicerade Philosophical Journal hans artikel om detta ämne. Det var dock bara teoretiska studier. Den första fungerande bränslecellen såg ljuset 1843 i laboratoriet hos en vetenskapsman av walesiskt ursprung, Sir William Robert Grove. När uppfinnaren skapade den använde uppfinnaren material som liknar de som används i moderna fosforsyrabatterier. Därefter förbättrades Sir Groves bränslecell av W. Thomas Grub. 1955 använde denna kemist, som arbetade för det legendariska General Electric Company, ett jonbytarmembran av sulfonerat polystyren som elektrolyt i en bränslecell. Bara tre år senare föreslog hans kollega Leonard Niedrach tekniken för att lägga platina på membranet, som fungerade som en katalysator i processen för väteoxidation och syreupptagning.
"Fader" till bränsleceller Christian Schönbein
Dessa principer utgjorde grunden för en ny generation bränsleceller, kallade "Grubb-Nidrach"-element efter deras skapare. General Electric fortsatte att utvecklas i denna riktning, där den första kommersiella bränslecellen skapades med hjälp av NASA och flygjätten McDonnell Aircraft. På ny teknologi uppmärksammat havet. Och redan 1959 introducerade britten Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) en stationär bränslecell med en effekt på 5 kW. Hans patenterade design licensierades sedan av amerikanerna och användes i NASAs rymdfarkoster i kraft- och försörjningssystem. dricker vatten. Samma år byggde amerikanen Harry Ihrig den första bränslecellstraktorn (total effekt 15 kW). Kaliumhydroxid användes som elektrolyt i batterierna, och komprimerat väte och syre användes som reagens.
För första gången sattes produktionen av stationära bränsleceller för kommersiella ändamål igång av UTC Power, som erbjöd reservkraftsystem för sjukhus, universitet och affärscentra. Detta företag, som är världsledande inom detta område, producerar fortfarande liknande lösningar med effekt upp till 200 kW. Det är också huvudleverantören av bränsleceller till NASA. Dess produkter har använts flitigt i rymdprogram Apollo och är fortfarande efterfrågad som en del av rymdfärjans program. UTC Power erbjuder också "konsumentkonsumtion" bränsleceller för ett brett utbud av fordonstillämpningar. Hon var den första som skapade en bränslecell som gör det möjligt att ta emot ström vid negativa temperaturer genom att använda ett protonutbytesmembran.
Hur det fungerar
Forskarna experimenterade med olika ämnen som reagens. Men de grundläggande principerna för driften av bränsleceller, trots det betydligt annorlunda prestandaegenskaper, förblir oförändrade. Varje bränslecell är en elektrokemisk energiomvandlingsanordning. Den genererar elektricitet från en viss mängd bränsle (på anodsidan) och en oxidator (på katodsidan). Reaktionen fortskrider i närvaro av en elektrolyt (ett ämne som innehåller fria joner och som beter sig som ett elektriskt ledande medium). I princip finns det i varje sådan anordning några reagenser som kommer in i den och deras reaktionsprodukter, som avlägsnas efter att den elektrokemiska reaktionen har utförts. Elektrolyten i detta fall fungerar endast som ett medium för interaktionen mellan reaktanterna och förändras inte i bränslecellen. Baserat på ett sådant schema bör en idealisk bränslecell fungera så länge det finns tillgång till ämnen som är nödvändiga för reaktionen.
Bränsleceller ska inte förväxlas med konventionella batterier här. I det första fallet går det åt lite "bränsle" för att producera el, som senare behöver fyllas på. När det gäller galvaniska celler lagras elektriciteten i ett slutet kemiskt system. När det gäller batterier, kan applicering av ström göra att den omvända elektrokemiska reaktionen inträffar och återställer reagenserna till sitt ursprungliga tillstånd (dvs ladda det). Möjlig olika kombinationer bränsle och oxidationsmedel. Till exempel använder en vätebränslecell väte och syre (ett oxidationsmedel) som reaktanter. Ofta används bikarbonater och alkoholer som bränsle, och luft, klor och klordioxid fungerar som oxidanter.
Katalysreaktionen som äger rum i bränslecellen slår ut elektroner och protoner från bränslet, och de rörliga elektronerna bildar en elektrisk ström. Bränsleceller använder vanligtvis platina eller dess legeringar som en katalysator för att påskynda reaktionen. En annan katalytisk process returnerar elektroner genom att kombinera dem med protoner och ett oxidationsmedel, vilket resulterar i bildandet av reaktionsprodukter (emissioner). Vanligtvis är dessa utsläpp enkla ämnen: vatten och koldioxid.
I en konventionell protonbytesmembranbränslecell (PEMFC) separerar ett polymert protonledande membran anod- och katodsidorna. Från katodsidan diffunderar väte till anodkatalysatorn, där elektroner och protoner sedan frigörs från den. Protonerna passerar sedan genom membranet till katoden, och elektronerna, som inte kan följa protonerna (membranet är elektriskt isolerat), leds genom den externa belastningskretsen (strömförsörjningssystemet). På den katodiska katalysatorsidan reagerar syre med protoner som har passerat genom membranet och elektroner som kommer in genom den externa belastningskretsen. Som ett resultat av denna reaktion erhålls vatten (i form av en ånga eller vätska). Till exempel är produkterna av reaktioner i bränsleceller som använder kolvätebränslen (metanol, dieselbränsle) vatten och koldioxid.
Bränsleceller av nästan alla typer lider av elektriska förluster, orsakade både av det naturliga motståndet hos kontakterna och elementen i bränslecellen och av elektrisk överspänning (ytterligare energi som krävs för att utföra den initiala reaktionen). I vissa fall är det inte möjligt att helt undvika dessa förluster, och ibland "spelet är inte värt ljuset", men oftast kan de reduceras till ett acceptabelt minimum. En lösning på detta problem är användningen av uppsättningar av dessa enheter, där bränsleceller, beroende på kraven för strömförsörjningssystemet, kan anslutas parallellt (högre ström) eller i serie (högre spänning).
Typer av bränsleceller
Det finns väldigt många typer av bränsleceller, men vi ska försöka att kort uppehålla oss vid de vanligaste av dem.
Alkaliska bränsleceller (AFC)
Alkaliska eller alkaliska bränsleceller, även kallade Bacon-celler efter sin brittiska "far", är en av de mest välutvecklade bränslecellsteknologierna. Det var dessa enheter som hjälpte människan att sätta sin fot på månen. I allmänhet har NASA använt bränsleceller av denna typ sedan mitten av 1960-talet. AFC förbrukar väte och rent syre och producerar dricker vatten, värme och el. Till stor del på grund av det faktum att denna teknik är välutvecklad, har den en av de högsta effektivitetsgraderna bland liknande system (cirka 70 % potential).
Men denna teknik har också sina nackdelar. På grund av specifikationerna för att använda en flytande alkalisk substans som en elektrolyt, som inte blockerar koldioxid, är det möjligt för kaliumhydroxid (ett av alternativen för den använda elektrolyten) att reagera med denna komponent i vanlig luft. Resultatet kan bli en giftig förening av kaliumkarbonat. För att undvika detta är det nödvändigt att använda antingen rent syre, eller att rena luften från koldioxid. Naturligtvis påverkar detta kostnaden för sådana enheter. Men trots detta är AFC de billigaste bränslecellerna att tillverka som finns idag.
Direkta borhydridbränsleceller (DBFC)
Denna subtyp av alkaliska bränsleceller använder natriumborhydrid som bränsle. Men till skillnad från konventionella väte-AFC har denna teknik en betydande fördel - ingen risk för att producera giftiga föreningar efter kontakt med koldioxid. Produkten av dess reaktion är dock ämnet borax, som används flitigt i tvättmedel och tvål. Borax är relativt giftfritt.
DBFC kan göras ännu billigare än traditionella bränsleceller eftersom de inte kräver dyra platinakatalysatorer. Dessutom har de en högre energitäthet. Det uppskattas att produktionen av ett kilogram natriumborhydrid kostar 50 dollar, men om massproduktion organiseras och borax bearbetas kan denna stapel minskas med 50 gånger.
Metallhydridbränsleceller (MHFC)
Denna underklass av alkaliska bränsleceller studeras för närvarande aktivt. En egenskap hos dessa enheter är förmågan att kemiskt lagra väte inuti bränslecellen. Den direkta borhydridbränslecellen har samma förmåga, men till skillnad från den är MHFC fylld med rent väte.
Bland särskiljande egenskaper Dessa bränsleceller är:
- förmågan att ladda från elektrisk energi;
- arbeta vid låga temperaturer - upp till -20°C;
- lång hållbarhetstid;
- snabb "kall" start;
- förmågan att arbeta under en tid utan en extern vätekälla (under perioden för bränslebyte).
Trots att många företag arbetar med att skapa massproducerade MHFC:er är effektiviteten hos prototyper inte tillräckligt hög i jämförelse med konkurrerande teknologier. En av de bästa strömtätheterna för dessa bränsleceller är 250 milliampere per kvadratcentimeter, med konventionella PEMFC-bränsleceller som levererar en strömtäthet på 1 ampere per kvadratcentimeter.
Elektrogalvaniska bränsleceller (EGFC)
Den kemiska reaktionen i EGFC sker med deltagande av kaliumhydroxid och syre. Detta skapar en elektrisk ström mellan blyanoden och den guldpläterade katoden. Spänningen från en elektrogalvanisk bränslecell är direkt proportionell mot mängden syre. Denna funktion har gjort det möjligt för EGFC att användas i stor utsträckning som en syretestanordning i dykutrustning och medicinsk utrustning. Men just på grund av detta beroende har kaliumhydroxidbränsleceller en mycket begränsad period av effektiv drift (så länge syrekoncentrationen är hög).
De första certifierade EGFC-syretestarna blev allmänt tillgängliga 2005, men blev inte så populära då. Släppt två år senare, en betydligt modifierad modell var mycket mer framgångsrik och fick till och med ett pris för "innovation" på en specialiserad dykarmässa i Florida. För närvarande använder organisationer som NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) och DDRC (Diving Diseases Research Center) dem.
Myrsyra direkta bränsleceller (DFAFC)
Dessa bränsleceller är en undertyp av PEMFC-anordningar för direktmyrsyra. På grund av sina specifika egenskaper har dessa bränsleceller en stor chans att bli den huvudsakliga kraftkällan för sådan bärbar elektronik som bärbara datorer, Mobiltelefoner etc.
Liksom metanol matas myrsyra direkt in i bränslecellen utan ett speciellt reningssteg. Det är också mycket säkrare att lagra detta ämne än till exempel väte, och dessutom är det inte nödvändigt att tillhandahålla några specifika lagringsförhållanden: myrsyra är en vätska vid normal temperatur. Dessutom har denna teknologi två obestridliga fördelar jämfört med direkta metanolbränsleceller. För det första, till skillnad från metanol, tränger myrsyra inte genom membranet. Därför bör effektiviteten för DFAFC, per definition, vara högre. För det andra, i händelse av trycksänkning, är myrsyra inte så farligt (metanol kan orsaka blindhet, och med en stark dosering, död).
Intressant nog, tills nyligen, såg många forskare inte att denna teknik hade en praktisk framtid. Anledningen som fick forskare att sätta stopp för myrsyra under många år var en hög elektrokemisk överspänning, som ledde till betydande elektriska förluster. Men resultaten av de senaste experimenten har visat att orsaken till denna ineffektivitet var användningen av platina som katalysator, som traditionellt har använts i stor utsträckning för detta ändamål i bränsleceller. Efter att forskare från University of Illinois utfört ett antal experiment med andra material, visade det sig att när man använder palladium som katalysator, är produktiviteten för DFAFC högre än motsvarande direkta metanolbränsleceller. För närvarande ägs rättigheterna till denna teknologi av det amerikanska företaget Tekion, som erbjuder sin Formira Power Pack-produktlinje för mikroelektroniska enheter. Detta system är en "duplex" bestående av ett ackumulatorbatteri och själva bränslecellen. När förråden av reagenser i patronen som laddar batteriet tar slut, byter användaren helt enkelt ut den mot en ny. Därmed blir den helt oberoende av "sockeln". Enligt tillverkarens löften kommer tiden mellan laddningarna att fördubblas, trots att tekniken endast kommer att kosta 10-15% mer än konventionella batterier. Det enda stora hindret för denna teknik kan vara att den stöds av företaget medelklass och det kan helt enkelt "överväldigas" av större konkurrenter som presenterar sin teknologi, som till och med kan vara sämre än DFAFC i ett antal parametrar.
Direkta metanolbränsleceller (DMFC)
Dessa bränsleceller är en undergrupp av protonbytesmembrananordningar. De använder metanol laddad i en bränslecell utan extra städning. Men metylalkohol är mycket lättare att lagra och är inte explosivt (även om det är brandfarligt och kan orsaka blindhet). Samtidigt är metanolens energikapacitet betydligt högre än för komprimerat väte.
Men på grund av det faktum att metanol kan tränga igenom membranet är effektiviteten hos DMFC med stora volymer bränsle låg. Även om de inte är lämpliga för transporter och stora installationer av denna anledning, är dessa enheter utmärkta som batteriersättning för mobila enheter.
Bearbetade metanolbränsleceller (RMFC)
Bearbetade metanolbränsleceller skiljer sig från DMFC endast genom att de omvandlar metanol till väte och koldioxid innan de genererar el. Detta händer i en speciell enhet som kallas en bränsleprocessor. Efter detta preliminära steg (reaktionen utförs vid en temperatur över 250°C) genomgår vätet en oxidationsreaktion, vilket resulterar i bildandet av vatten och elektricitet.
Användningen av metanol i RMFC beror på att det är en naturlig bärare av väte, och vid en tillräckligt låg temperatur (jämfört med andra ämnen) kan den brytas ned till väte och koldioxid. Därför är denna teknik mer avancerad än DMFC. Bearbetade metanolbränsleceller är effektivare, mer kompakta och fungerar vid minusgrader.
Direkta etanolbränsleceller (DEFC)
En annan representant för klassen av bränsleceller med ett protonutbytesgitter. Som namnet antyder kommer etanol in i bränslecellen förbi stadierna av ytterligare rening eller nedbrytning till enklare ämnen. Den första fördelen med dessa enheter är användningen etanol istället för giftig metanol. Det gör att du inte behöver investera mycket pengar i utvecklingen av detta bränsle.
Energitätheten för alkohol är cirka 30 % högre än för metanol. Dessutom kan den erhållas i stora mängder från biomassa. För att minska kostnaderna för etanolbränsleceller pågår ett aktivt sökande efter ett alternativt katalysatormaterial. Platina, som traditionellt används i bränsleceller för dessa ändamål, är för dyrt och är ett betydande hinder för massantagande av dessa teknologier. Lösningen på detta problem kan vara katalysatorer gjorda av en blandning av järn, koppar och nickel, som visar imponerande resultat i experimentella system.
Zinkluftbränsleceller (ZAFC)
ZAFC använder oxidation av zink med syre från luften för att generera elektricitet. Dessa bränsleceller är billiga att tillverka och ger en ganska hög energitäthet. För närvarande används de i hörapparater och experimentella elbilar.
På anodsidan finns en blandning av zinkpartiklar med en elektrolyt och på katodsidan vatten och syre från luften, som reagerar med varandra och bildar hydroxyl (dess molekyl är en syreatom och en väteatom, mellan vilka det finns en kovalent bindning). Som ett resultat av reaktionen mellan hydroxylen och zinkblandningen frigörs elektroner som går till katoden. Den maximala spänningen som ges av sådana bränsleceller är 1,65 V, men som regel reduceras den artificiellt till 1,4–1,35 V, vilket begränsar lufttillgången till systemet. Slutprodukterna av denna elektrokemiska reaktion är zinkoxid och vatten.
Det är möjligt att använda denna teknik både i batterier (utan laddning) och i bränsleceller. I det senare fallet rengörs kammaren på anodsidan och fylls på med zinkpasta. Generellt sett har ZAFC-tekniken visat sig vara enkla och pålitliga batterier. Deras obestridliga fördel är förmågan att kontrollera reaktionen endast genom att justera lufttillförseln till bränslecellen. Många forskare överväger zink-luftbränsleceller som den framtida huvudsakliga kraftkällan för elfordon.
Mikrobiella bränsleceller (MFC)
Idén att använda bakterier till förmån för mänskligheten är inte ny, även om den först nyligen har kommit till förverkligandet av dessa idéer. För närvarande studeras frågan om kommersiell användning av bioteknik för produktion av olika produkter (till exempel produktion av väte från biomassa), neutralisering av skadliga ämnen och produktion av el aktivt. Mikrobiella bränsleceller, även kallade biologiska bränsleceller, är ett biologiskt elektrokemiskt system som genererar elektricitet genom användning av bakterier. Denna teknologi är baserad på katabolism (nedbrytning av en komplex molekyl till en enklare med frigörande av energi) av ämnen som glukos, acetat (salt av ättiksyra), butyrat (salt av smörsyra) eller avloppsvatten. På grund av deras oxidation frigörs elektroner, som överförs till anoden, varefter den genererade elektriska strömmen flyter genom ledaren till katoden.
I sådana bränsleceller används vanligtvis mediatorer för att förbättra elektronernas permeabilitet. Problemet är att ämnen som spelar rollen som mediatorer är dyra och giftiga. Vid användning av elektrokemiskt aktiva bakterier finns det dock inget behov av mediatorer. Sådana "sändarfria" mikrobiella bränsleceller började skapas ganska nyligen, och därför är långt ifrån alla deras egenskaper väl studerade.
Trots de hinder som MFC ännu inte har övervunnit har denna teknik en enorm potential. För det första är "bränsle" inte svårt att hitta. Dessutom är frågan om avloppsvattenrening och bortskaffande av många avfall idag mycket akut. Tillämpningen av denna teknik skulle kunna lösa båda dessa problem. För det andra kan dess effektivitet teoretiskt vara mycket hög. Det största problemet för ingenjörer av mikrobiella bränsleceller är, och faktiskt den viktigaste delen av denna enhet, mikrober. Och medan mikrobiologer, som får många anslag för forskning, jublar, gnuggar även science fiction-författare sig i händerna och anar framgången för böcker om konsekvenserna av "publiceringen" av fel mikroorganismer. Naturligtvis finns det en risk att få fram något som skulle "smälta" inte bara onödigt avfall, utan också något värdefullt. Så i princip, som med all ny bioteknik, är folk försiktiga med tanken på att bära en bakterieangripen låda i fickan.
Ansökan
Stationära inhemska och industriella kraftverk
Bränsleceller används i stor utsträckning som energikällor i olika autonoma system, såsom rymdfarkoster, avlägsna väderstationer, militära installationer, etc. Den största fördelen med ett sådant strömförsörjningssystem är dess extremt höga tillförlitlighet jämfört med andra tekniker. På grund av frånvaron av rörliga delar och eventuella mekanismer i bränsleceller kan tillförlitligheten hos strömförsörjningssystem nå 99,99%. Vid användning av väte som reagens kan dessutom en mycket liten vikt uppnås, vilket är ett av de viktigaste kriterierna när det gäller rymdutrustning.
På senare tid har kraftvärmeinstallationer, som ofta används i bostadshus och kontor, blivit mer utbredda. Det speciella med dessa system är att de ständigt genererar elektricitet, som, om den inte förbrukas omedelbart, används för att värma vatten och luft. Trots att den elektriska verkningsgraden för sådana installationer endast är 15-20%, kompenseras denna nackdel av att oanvänd el används för värmeproduktion. Generellt sett är energieffektiviteten för sådana kombinerade system cirka 80 %. En av de bästa reagensen för sådana bränsleceller är fosforsyra. Dessa enheter ger en energieffektivitet på 90 % (35-50 % el och resten värmeenergi).
Transport
Energisystem baserade på bränsleceller används också i stor utsträckning inom transporter. Tyskarna var förresten bland de första som installerade bränsleceller på fordon. Så världens första kommersiella båt utrustad med en sådan installation debuterade för åtta år sedan. Detta lilla fartyg, kallat "Hydra" och designat för att ta upp till 22 passagerare, sjösattes nära Tysklands tidigare huvudstad i juni 2000. Väte (alkalisk bränslecell) fungerar som ett energibärande reagens. Tack vare användningen av alkaliska (alkaliska) bränsleceller kan installationen generera ström vid temperaturer ner till -10°C och är inte "rädd" för saltvatten. Båten "Hydra", som drivs av en 5 kW elmotor, klarar hastigheter upp till 6 knop (ca 12 km/h).
Båt "Hydra"
Bränsleceller (särskilt vätgasdrivna) har blivit mycket mer utbredda inom landtransporter. Generellt sett har väte använts som bränsle för bilmotorer under ganska lång tid, och i princip kan en konventionell förbränningsmotor enkelt konverteras till att använda detta alternativa bränsle. Men traditionell väteförbränning är mindre effektiv än att generera elektricitet genom kemisk reaktion mellan väte och syre. Och helst kommer väte, om det används i bränsleceller, vara helt säkert för naturen eller, som de säger, "vänligt mot miljön", eftersom ingen koldioxid eller andra ämnen frigörs under den kemiska reaktionen som berör "växthuset". effekt".
Det är sant att här, som man kan förvänta sig, finns det flera stora "men". Faktum är att många tekniker för att producera väte från icke-förnybara resurser (naturgas, kol, oljeprodukter) inte är så miljövänliga, eftersom en stor mängd koldioxid frigörs i deras process. Teoretiskt, om förnybara resurser används för att få det, så kommer det inte att finnas några skadliga utsläpp alls. Men i det här fallet ökar kostnaden avsevärt. Enligt många experter är potentialen för väte som ersättning för bensin eller naturgas av dessa skäl mycket begränsad. Det finns redan billigare alternativ, och troligen kommer bränsleceller på det första elementet i det periodiska systemet inte att kunna bli ett massfenomen i fordon.
Biltillverkare experimenterar ganska aktivt med väte som energikälla. Och den främsta anledningen till detta är EU:s ganska hårda ställning i förhållande till skadliga utsläpp till atmosfären. Påskyndade av allt strängare restriktioner i Europa har Daimler AG, Fiat och Ford Motor Company avslöjat sin vision för framtiden för bränsleceller i bilindustrin, och utrustat sina basmodeller med liknande drivlinor. En annan europeisk biljätte, Volkswagen, förbereder för närvarande sitt bränslecellsfordon. Japanska och sydkoreanska företag ligger inte efter dem. Det är dock inte alla som satsar på denna teknik. Många föredrar att modifiera förbränningsmotorer eller kombinera dem med batteridrivna elmotorer. Toyota, Mazda och BMW följde denna väg. När det gäller amerikanska företag presenterade General Motors förutom Ford med sin Focus-modell även flera bränslecellsfordon. Alla dessa åtaganden uppmuntras aktivt av många stater. Till exempel, i USA finns det en lag enligt vilken en ny hybridbil som kommer in på marknaden är befriad från skatter, vilket kan vara ganska anständigt, eftersom sådana bilar i regel är dyrare än sina motsvarigheter med traditionell förbränning motorer. Således blir hybrider som köp ännu mer attraktiva. Det är sant, än så länge gäller denna lag bara för modeller som kommer in på marknaden tills de når en försäljningsnivå på 60 000 bilar, varefter förmånen automatiskt avbryts.
Elektronik
På senare tid har bränsleceller använts alltmer i bärbara datorer, mobiltelefoner och andra mobila elektroniska enheter. Anledningen till detta var det snabbt ökande frossandet av enheter designade för lång batteritid. Som ett resultat av användningen av stora pekskärmar i telefoner, kraftfulla ljudfunktioner och införandet av stöd för Wi-Fi, Bluetooth och andra högfrekventa trådlösa kommunikationsprotokoll har också kraven på batterikapacitet förändrats. Och även om batterierna har kommit långt sedan de första mobiltelefonernas dagar, när det gäller kapacitet och kompaktitet (annars skulle fans idag inte släppas in på arenor med detta vapen med kommunikationsfunktion), hänger de fortfarande inte med med miniatyriseringen av elektroniska kretsar, inte heller med önskan att tillverkarna bygger in fler och fler funktioner i sina produkter. En annan betydande nackdel med nuvarande batterier är deras långa laddningstid. Allt leder till det faktum att ju fler funktioner i en telefon eller ficka multimediaspelare utformade för att öka autonomin för dess ägare (trådlöst internet, navigationssystem, etc.), desto mer beroende av "uttaget" blir denna enhet.
Det finns inget att säga om bärbara datorer som är mycket mindre än de begränsade i maximala storlekar. En nisch av supereffektiva bärbara datorer har bildats under lång tid, som inte är avsedda för autonom drift alls, förutom en sådan överföring från ett kontor till ett annat. Och även de mest kostnadseffektiva medlemmarna i den bärbara världen kämpar för att leverera en hel dags batteritid. Därför är frågan om att hitta ett alternativ till traditionella batterier, som inte skulle vara dyrare, men också mycket effektivare, mycket akut. Och de ledande företrädarna för branschen har nyligen löst detta problem. För inte så länge sedan introducerades kommersiella metanolbränsleceller, vars massleveranser kan påbörjas redan nästa år.
Forskarna valde metanol framför väte av någon anledning. Det är mycket lättare att lagra metanol, eftersom det inte kräver högt tryck eller speciella temperaturförhållanden. Metylalkohol är en vätska vid -97,0°C till 64,7°C. Samtidigt är den specifika energin i den N:te volymen metanol en storleksordning större än i samma volym väte under högt tryck. Direkt metanolbränslecellsteknik, som används i stor utsträckning i mobila elektroniska enheter, innebär användning av metylalkohol efter att helt enkelt fyllt bränslecellstanken utan att den katalytiska omvandlingsproceduren (därav namnet "direkt metanol"). Detta är också en stor fördel med denna teknik.
Men som man kunde förvänta sig hade alla dessa plusser sina nackdelar, vilket avsevärt begränsade tillämpningsområdet för dess tillämpning. Med tanke på det faktum att denna teknik ändå inte har utvecklats fullt ut, förblir problemet med den låga effektiviteten hos sådana bränsleceller orsakat av metanol-"läckage" genom membranmaterialet olöst. Dessutom har de inte imponerande dynamiska egenskaper. Det är inte lätt att avgöra vad man ska göra med koldioxiden som produceras vid anoden. Moderna DMFC-enheter kan inte generera hög energi, men de har en hög energikapacitet för en liten volym materia. Detta innebär att även om mycket energi inte är tillgänglig ännu, kan direkta metanolbränsleceller generera den under lång tid. Detta tillåter dem inte att hitta direkt användning i fordon på grund av deras låga effekt, men gör dem till en nästan idealisk lösning för mobila enheter där batteritiden är kritisk.
Senaste trenderna
Även om bränsleceller för fordon har tillverkats under lång tid, har dessa lösningar än så länge inte blivit utbredda. Det finns många anledningar till detta. Och de viktigaste är tillverkarnas ekonomiska olämplighet och ovilja att sätta igång produktionen av prisvärt bränsle. Försök att tvinga fram den naturliga övergångsprocessen till förnybara energikällor, som man kunde förvänta sig, ledde inte till något bra. Anledningen till den kraftiga prishöjningen på jordbruksprodukter är förstås snarare dold inte i det faktum att de har börjat omvandlas massivt till biobränslen, utan i det faktum att många länder i Afrika och Asien inte kan producera tillräckligt med produkter även för att möta den inhemska efterfrågan på produkter.
Uppenbarligen kommer avvisningen av användningen av biobränslen inte att leda till en betydande förbättring av situationen på världsmarknaden för livsmedel, utan tvärtom kan det drabba europeiska och amerikanska bönder, som för första gången på många år har fått möjligheten att tjäna bra pengar. Men man kan inte skriva av sig den etiska aspekten av denna fråga, det är fult att fylla "bröd" i tankar när miljoner människor svälter. Därför kommer i synnerhet europeiska politiker nu att vara mer coola när det gäller bioteknik, vilket redan bekräftas av revideringen av strategin för övergången till förnybara energikällor.
I denna situation bör mikroelektronik bli det mest lovande användningsområdet för bränsleceller. Det är här bränsleceller har störst chans att få fäste. För det första är människor som köper mobiltelefoner mer villiga att experimentera än till exempel bilköpare. Och för det andra är de redo att spendera pengar och är som regel inte motvilliga till att "rädda världen". Detta kan bekräftas av rungande framgång röd "Bono"-version av iPod Nano, en del av pengarna från försäljningen gick till Röda Korset.
"Bono"-version av Apple iPod Nano
Bland dem som riktade sin uppmärksamhet mot bränsleceller för bärbar elektronik finns företag som tidigare specialiserat sig på att skapa bränsleceller och nu helt enkelt öppnat ett nytt område för sin applikation, såväl som ledande tillverkare av mikroelektronik. Till exempel meddelade nyligen MTI Micro, som har ändrat sin verksamhet för att producera metanolbränsleceller för mobila elektroniska enheter, att de skulle påbörja massproduktion 2009. Hon introducerade också världens första GPS-enhet för metanolbränslecell. Enligt företrädare för detta företag kommer dess produkter inom en snar framtid att helt ersätta traditionella litiumjonbatterier. Det är sant att de till en början inte kommer att vara billiga, men det här problemet följer med all ny teknik.
För ett företag som Sony, som nyligen visade upp sin DMFC-variant av en mediadriven enhet, är dessa tekniker nya, men de menar allvar med att inte gå vilse på en lovande ny marknad. Sharp gick i sin tur ännu längre och satte nyligen med sin bränslecellsprototyp ett världsrekord för den specifika energikapaciteten på 0,3 watt per kubikcentimeter metanol. Även regeringarna i många länder träffade företagen som tillverkar dessa bränsleceller. Så flygplatser i USA, Kanada, Storbritannien, Japan och Kina, trots toxiciteten och brandfarligheten hos metanol, avbröt de tidigare befintliga restriktionerna för dess transport i kabinen. Detta är givetvis endast tillåtet för certifierade bränsleceller med en maximal kapacitet på 200 ml. Ändå bekräftar detta återigen intresset för denna utveckling från inte bara entusiaster utan även staters sida.
Det är sant att tillverkare fortfarande försöker spela det säkert och erbjuder bränsleceller främst som ett reservkraftsystem. En sådan lösning är en kombination av en bränslecell och ett batteri: så länge det finns bränsle laddar det hela tiden batteriet, och när det tar slut byter användaren helt enkelt ut den tomma patronen med en ny behållare med metanol. En annan populär trend är att skapa laddare på bränsleceller. De kan användas på språng. Samtidigt kan de ladda batterier väldigt snabbt. Med andra ord, i framtiden kanske alla bär ett sådant "uttag" i fickan. Detta tillvägagångssätt kan vara särskilt relevant när det gäller mobiltelefoner. I sin tur kan bärbara datorer mycket väl inom överskådlig framtid få inbyggda bränsleceller, som, om inte helt ersätter laddning från "uttaget", så åtminstone blir ett seriöst alternativ till det.
Enligt prognosen från Tysklands största kemiföretag BASF, som nyligen tillkännagav byggstarten av sitt bränslecellsutvecklingscenter i Japan, kommer marknaden för dessa enheter 2010 att vara 1 miljard dollar. Samtidigt förutspår dess analytiker tillväxten av bränslecellsmarknaden till 20 miljarder dollar år 2020. Förresten planerar BASF att utveckla bränsleceller för bärbar elektronik (särskilt bärbara datorer) och stationära energisystem i detta centrum. Platsen för detta företag valdes inte av en slump - de viktigaste köparna av dessa tekniker tyskt företag ser lokala företag.
Istället för en slutsats
Naturligtvis ska man inte förvänta sig av bränsleceller att de kommer att bli en ersättning för det befintliga kraftförsörjningssystemet. Åtminstone under överskådlig framtid. Detta är ett tveeggat svärd: bärbara kraftverk är förvisso mer effektiva på grund av frånvaron av förluster i samband med leverans av el till konsumenten, men det är också värt att överväga att de kan bli en allvarlig konkurrent till en centraliserad strömförsörjning system endast om ett centraliserat bränsleförsörjningssystem för dessa installationer skapas. Det vill säga att "socket" så småningom ska ersättas av ett visst rör som tillför de nödvändiga reagenserna till varje hus och varje skrymsle. Och detta är inte riktigt samma frihet och oberoende från Externa källor nuvarande, som bränslecellstillverkarna talar om.
Dessa enheter har en obestridlig fördel i form av laddningshastighet - jag bytte helt enkelt metanolpatronen (i extrema fall, avkorkade Jack Daniels trofé) i kameran och hoppade återigen uppför trappan på Louvren. Å andra sidan, om, säg, en vanlig telefon laddar två timmar och kommer att kräva omladdning varannan till var tredje dag, då är det osannolikt att ett alternativ i form av att byta en patron som säljs endast i specialiserade butiker, även en gång varannan vecka, kommer att vara så efterfrågat av en massanvändare. Om en hermetisk behållare med ett par hundra milliliter bränsle når slutkonsumenten, kommer dess pris att hinna växa avsevärt. Endast produktionens omfattning kommer att kunna bekämpa denna prishöjning, men kommer detta att skala efterfrågas på marknaden?Och tills den optimala typen av bränsle har valts kommer det att vara mycket svårt att lösa detta problem.
Å andra sidan kan en kombination av traditionell plug-in-laddning, bränsleceller och andra alternativa energiförsörjningssystem (t.ex. solpaneler) vara lösningen på problemet med diversifiering av kraftkällor och byte till miljötyper. Men för en viss grupp av elektroniska produkter kan bränsleceller användas i stor utsträckning. Detta bekräftas av det faktum att Canon nyligen patenterade sina egna bränsleceller för digitalkameror och tillkännagav en strategi för att införliva dessa teknologier i sina lösningar. När det gäller bärbara datorer, om bränsleceller når dem inom en snar framtid, då troligen bara som ett reservkraftsystem. Nu pratar vi till exempel främst om externa laddningsmoduler som dessutom är anslutna till en bärbar dator.
Men dessa teknologier har stora utvecklingsmöjligheter inom långsiktigt. Särskilt mot bakgrund av hotet om oljesvält, som kan inträffa under de närmaste decennierna. Under dessa förhållanden är det viktigare inte ens hur billig produktionen av bränsleceller blir, utan hur mycket produktionen av bränsle till dem blir oavsett petrokemisk industri och om den kommer att kunna täcka behovet av det.
Nissan vätebränslecell
Mobilelektroniken förbättras varje år, blir mer utbredd och mer tillgänglig: handdatorer, bärbara datorer, mobila och digitala enheter, fotoramar, etc. Alla uppdateras ständigt med nya funktioner, större bildskärmar, trådlös kommunikation, starkare processorer, samtidigt som de minskar i storlek. . Kraftteknologier, till skillnad från halvledarteknik, går inte med stormsteg.
De tillgängliga batterierna och ackumulatorerna för att driva branschens prestationer blir otillräckliga, så frågan om alternativa källor är mycket akut. Bränsleceller är den överlägset mest lovande riktningen. Principen för deras funktion upptäcktes redan 1839 av William Grove, som genererade elektricitet genom att ändra elektrolysen av vatten.
Video: Dokumentär, bränsleceller för transport: dåtid, nutid, framtid
Bränsleceller är av intresse för biltillverkarna, och skaparna är också intresserade av dem. rymdskepp. 1965 testades de till och med av Amerika på Gemini 5 som skjuts upp i rymden och senare på Apollo. Miljontals dollar investeras i bränslecellsforskning även idag, när det finns problem förknippade med miljöföroreningar, ökande växthusgasutsläpp från förbränning av fossila bränslen, vars reserver inte heller är oändliga.
En bränslecell, ofta kallad en elektrokemisk generator, fungerar på det sätt som beskrivs nedan.
Att vara, liksom ackumulatorer och batterier, en galvanisk cell, men med skillnaden att aktiva substanser lagras i den separat. De kommer till elektroderna när de används. Naturligt bränsle eller något ämne som erhålls från det brinner på den negativa elektroden, som kan vara gasformigt (väte, till exempel, och kolmonoxid) eller flytande, som alkoholer. Vid den positiva elektroden reagerar som regel syre.
Men en enkel handlingsprincip är inte lätt att omsätta till verklighet.
DIY bränslecell
Video: Gör-det-själv-vätebränslecell
Tyvärr har vi inga bilder på hur detta bränsleelement ska se ut, vi hoppas på din fantasi.
En bränslecell med låg effekt med egna händer kan göras även i ett skollaboratorium. Du behöver fylla på med en gammal gasmask, några bitar plexiglas, lut och vattenlösning etylalkohol (enklare, vodka), som kommer att fungera som "bränsle" för bränslecellen.
Först och främst behöver du ett hölje för bränslecellen, som bäst är tillverkad av plexiglas, minst fem millimeter tjockt. Inre skiljeväggar (fem fack inuti) kan göras lite tunnare - 3 cm. För limning av plexiglas används lim av följande sammansättning: sex gram plexiglaschips löses i hundra gram kloroform eller dikloretan (de arbetar under en huva ).
I ytterväggen är det nu nödvändigt att borra ett hål i vilket du måste sätta in ett avloppsglasrör med en diameter på 5-6 centimeter genom en gummipropp.
Alla vet att i det periodiska systemet i det nedre vänstra hörnet finns de mest aktiva metallerna, och de högaktiva metalloiderna finns i tabellen i det övre högra hörnet, d.v.s. förmågan att donera elektroner ökar från topp till botten och från höger till vänster. Element som under vissa förutsättningar kan visa sig som metaller eller metalloider finns i mitten av bordet.
Nu häller vi in i det andra och fjärde facket från en gasmask Aktivt kol(mellan den första partitionen och den andra, såväl som den tredje och fjärde), som kommer att fungera som elektroder. För att kol inte ska rinna ut genom hålen kan det läggas i ett nylontyg (nylonstrumpor för kvinnor duger). PÅ
Bränslet kommer att cirkulera i den första kammaren, i den femte bör det finnas en syreleverantör - luft. Det kommer att finnas en elektrolyt mellan elektroderna, och för att förhindra att den läcker in i luftkammaren är det nödvändigt att blötlägga den med en lösning av paraffin i bensin (förhållandet 2 gram paraffin till ett halvt glas bensin) innan den fjärde kammaren fylls med kol för luftelektrolyt. På ett lager av kol måste du lägga (lätt pressande) kopparplattor, till vilka ledningarna är lödda. Genom dem kommer strömmen att avledas från elektroderna.
Det återstår bara att ladda elementet. För detta behövs vodka, som måste spädas ut med vatten i 1: 1. Tillsätt sedan försiktigt trehundra till trehundrafemtio gram kaustikt kalium. För elektrolyt löses 70 gram kaustikkalium i 200 gram vatten.
Bränslecellen är klar för testning. Nu måste du samtidigt hälla bränsle i den första kammaren och elektrolyt i den tredje. En voltmeter fäst på elektroderna ska visa från 07 volt till 0,9. För att säkerställa kontinuerlig drift av elementet är det nödvändigt att tömma det använda bränslet (tömma i ett glas) och lägga till nytt bränsle (genom ett gummirör). Matningshastigheten styrs genom att klämma ihop röret. Så här ser driften av en bränslecell ut i laboratorieförhållanden, vars kraft är förståeligt liten.
Video: Bränslecell eller evigt batteri hemma
För att göra makten större har forskare arbetat med detta problem under lång tid. Metanol- och etanolbränsleceller är placerade på det aktiva utvecklingsstålet. Men tyvärr finns det hittills inget sätt att omsätta dem i praktiken.
Varför bränslecellen väljs som alternativ kraftkälla
En bränslecell valdes som alternativ kraftkälla, eftersom slutprodukten av väteförbränning i den är vatten. Problemet ligger bara i att hitta ett billigt och effektivt sätt att producera väte. De kolossala medel som investeras i utvecklingen av vätgasgeneratorer och bränsleceller kan inte låta bli att bära frukt, därför tekniskt genombrott och deras verkliga användning i vardagen, bara en tidsfråga.
Redan idag bilindustrins monster: General Motors, Honda, Dreimler Koisler, Ballard demonstrerar bussar och bilar som körs på bränsleceller med en effekt på upp till 50 kW. Men problemen i samband med deras säkerhet, tillförlitlighet, kostnad - har ännu inte lösts. Som redan nämnts, till skillnad från traditionella kraftkällor - batterier och batterier, i detta fall tillförs oxidationsmedlet och bränslet från utsidan, och bränslecellen är bara en mellanhand i den pågående reaktionen för att bränna bränslet och omvandla den frigjorda energin till elektricitet . "Bränning" inträffar endast om elementet levererar ström till lasten, som en dieselgenerator, men utan en generator och diesel, och även utan buller, rök och överhettning. Samtidigt är effektiviteten mycket högre, eftersom det inte finns några mellanliggande mekanismer.
Video: Vätebränslecellsbil
Stora förhoppningar ställs till användningen av nanoteknik och nanomaterial, vilket kommer att hjälpa till att miniatyrisera bränsleceller, samtidigt som de ökar deras kraft. Det har förekommit rapporter om att ultraeffektiva katalysatorer har skapats, liksom bränslecellsdesigner som inte har membran. I dem, tillsammans med oxidationsmedlet, tillförs bränsle (t.ex. metan) till elementet. Lösningar är intressanta, där syre löst i vatten används som oxidationsmedel och organiska föroreningar som ackumuleras i förorenat vatten används som bränsle. Dessa är de så kallade biobränslecellerna.
Bränsleceller, enligt experter, kan komma in på massmarknaden under de kommande åren