kategorier: Utvalgte artikler » Interessante elektriske nyheter
Antall visninger: 51203
Kommentarer til artikkelen: 7
Hva er brenselceller
Mobil elektronikk blir hvert år, om ikke en måned, mer tilgjengelig og utbredt. Her har du bærbare datamaskiner, PDA-er, digitale kameraer, og mobiltelefoner, og massevis av alle slags nyttige og ikke så enheter. Og alle disse enhetene skaffer seg kontinuerlig nye funksjoner, kraftigere prosessorer, store fargeskjermer, trådløs kommunikasjon, samtidig som de reduseres i størrelse. Men i motsetning til halvlederteknologier, går ikke kraftteknologiene til alt dette mobile menageriet med store sprang.
Konvensjonelle oppladbare batterier og batterier er tydeligvis ikke nok til å gi strøm til de siste fremskrittene innen elektronikkindustrien i noen betydelig periode. Og uten pålitelige og romslige batterier går hele betydningen av mobilitet og trådløshet tapt. Så datamaskinindustrien jobber mer og mer aktivt med problemet alternative strømforsyninger. Og den mest lovende, i dag, er retning brenselceller.
Det grunnleggende prinsippet om drift av brenselceller ble oppdaget av den britiske forskeren Sir William Grove i 1839. Han er kjent som faren til brenselcellen. William Grove produserte strøm ved å skifte elektrolyse av vann for å trekke ut hydrogen og oksygen. Etter å ha koblet batteriet fra elektrolysecellen, ble Grove overrasket over å finne at elektrodene begynte å absorbere den frigjorte gassen og generere strøm. Prosessåpning elektrokjemisk kald forbrenning av hydrogen en begivenhet i energisektoren ble betydelig, og i fremtiden spilte så velkjente elektrokjemikere som Ostwald og Nernst en stor rolle i utviklingen av de teoretiske fundamentene og den praktiske implementeringen av brenselceller og spådde en stor fremtid for dem.
selv uttrykket "brenselcelle" (Fuel Cell) dukket opp senere - det ble foreslått i 1889 av Ludwig Mond og Charles Langer, som prøvde å lage et apparat for å generere strøm fra luft og kullgass.
Under normal forbrenning oksiderer oksygen fossile brensler, og den kjemiske energien til drivstoffet konverteres ineffektivt til termisk energi. Men det viste seg å være mulig å utføre oksidasjonsreaksjonen, for eksempel hydrogen med oksygen, i et elektrolyttmedium og i nærvær av elektroder for å oppnå en elektrisk strøm. For eksempel tilfører vi hydrogen til en elektrode lokalisert i et alkalisk medium, får vi elektroner:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
som, passerer gjennom en ekstern krets, går til den motsatte elektroden, som oksygen kommer inn i og hvor reaksjonen finner sted: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Det kan sees at den resulterende reaksjonen 2H2 + O2 → H2O er den samme som ved normal forbrenning, men i brenselcellen, eller på annen måte, i elektrokjemisk generator, det viser seg elektrisk strøm med høy virkningsgrad og delvis varme. Legg merke til det kull, karbonmonoksid, alkoholer, hydrazin, andre organiske stoffer kan også brukes som brensel i brenselceller, og luft, hydrogenperoksyd, klor, brom, salpetersyre, etc. kan brukes som oksidasjonsmidler.
Utviklingen av brenselceller fortsatte kraftig både i utlandet og i Russland, og videre i Sovjetunionen. Blant forskerne som ga et stort bidrag til studiet av brenselceller, nevner vi V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. I midten av forrige århundre begynte et nytt angrep på brenselcelleproblemer. Dette skyldes delvis fremveksten av nye ideer, materialer og teknologier som et resultat av forsvarsforskning.
En av forskerne som tok et stort skritt i utviklingen av brenselceller var P. M. Spiridonov. Hydrogen-oksygenelementer i Spiridonov ga en strømtetthet på 30 mA / cm2, som for den tiden ble ansett som en stor prestasjon.På førtiårene opprettet O. Davtyan en installasjon for elektrokjemisk forbrenning av generatorgass oppnådd ved kullforgassifisering. Med hver kubikkmeter elementvolum fikk Davtyan 5 kW kraft.
Det var det første faste elektrolytt brenselcelle. Den hadde høy virkningsgrad, men over tid ble elektrolytten ubrukelig, og den måtte endres. Deretter opprettet Davtyan på slutten av femtitallet en kraftig installasjon som driver traktoren. I de samme årene designet og bygde den engelske ingeniøren T. Bacon et brenselcellebatteri med en total kapasitet på 6 kW og en virkningsgrad på 80%, og arbeidet med rent hydrogen og oksygen, men forholdet mellom kraft og batterivikt var for lite - slike elementer var uegnet for praktisk bruk og for kjære.
I de påfølgende årene har tiden for ensomere gått. Skaperne av romfartøy ble interessert i brenselceller. Siden midten av 60-tallet er det investert millioner av dollar i forskning om brenselceller. Arbeidet med tusenvis av forskere og ingeniører tillot å nå et nytt nivå, og i 1965. brenselceller ble testet i USA på romskipet Gemini 5, og senere på Apollo-skip for flyvninger til månen og under Shuttle-programmet.
I Sovjetunionen ble brenselceller utviklet på NPO Kvant, også for bruk i verdensrommet. I disse årene dukket det allerede opp nye materialer - faste polymerelektrolytter basert på ionebyttermembraner, nye typer katalysatorer, elektroder. Og likevel var arbeidsstrømtettheten liten - i området 100-200 mA / cm2, og platininnholdet på elektrodene var flere g / cm2. Det var mange problemer forbundet med holdbarhet, stabilitet og sikkerhet.
Det neste stadiet med rask utvikling av brenselceller begynte på 90-tallet. forrige århundre og fortsetter nå. Det er forårsaket av behovet for nye effektive energikilder som på den ene siden skyldes det globale miljøproblemet med de økende klimagassutslippene fra forbrenning av fossile brensler og på den annen side uttømming av slike brensler. Siden vann er sluttproduktet av hydrogenforbrenning i en brenselcelle, regnes de som de reneste med tanke på miljøpåvirkning. Hovedproblemet er bare å finne en effektiv og billig måte å produsere hydrogen på.
Milliarder økonomiske investeringer i utvikling av brenselceller og hydrogengeneratorer bør føre til et teknologisk gjennombrudd og gjøre bruken av dem i hverdagen til virkelighet: i mobiltelefoner, i biler, i kraftverk. Allerede demonstrerer bilgiganter som Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors biler og busser som kjører på 50kW brenselceller. En rekke selskaper har utviklet seg demonstrasjonsanlegg for fast brenselelektrolytt brenselceller opp til 500 kW. Men til tross for et betydelig gjennombrudd i å forbedre ytelsen til brenselceller, er det fortsatt mange problemer som må løses relatert til deres kostnader, pålitelighet og sikkerhet.
I motsetning til batterier og akkumulatorer, leveres både drivstoff og oksidasjonsmiddel utenfra. Brenselcellen er bare en mekler i reaksjonen, og under ideelle forhold kan den fungere nesten for alltid. Det fine med denne teknologien er det faktisk brennes drivstoff i elementet, og den frigjorte energien konverteres direkte til strøm. Med direkte forbrenning av drivstoff oksideres det med oksygen, og varmen som genereres i denne prosessen brukes til å fullføre nyttig arbeid.
I en brenselcelle, som i batterier, skilles reaksjonene fra drivstoffoksidasjon og oksygenreduksjon romlig, og prosessen med å "brenne" fortsetter bare hvis cellen gir strøm til belastningen. Det er som dieselgenerator, bare uten diesel og generator. Og også uten røyk, støy, overoppheting og med mye høyere effektivitet. Det siste forklares med det faktum at det for det første ikke er noen mekaniske mellomliggende apparater, og for det andre at brenselcellen ikke er en varmemotor og derfor ikke overholder Carnot-loven (det vil si at dens effektivitet ikke bestemmes av temperaturforskjellen).
Oksygen brukes som et oksidasjonsmiddel i brenselceller. Siden oksygen er ganske nok i luften, er det ingen grunn til å bekymre deg for tilførselen av et oksidasjonsmiddel. Når det gjelder drivstoff, er det hydrogen. Så reaksjonen oppstår i brenselcellen:
2H2 + O2 → 2H2O + strøm + varme.
Resultatet er nyttig energi og vanndamp. Det enkleste i designen er protonbyttermembran brenselcelle (se figur 1). Det fungerer som følger: hydrogenet som kommer inn i elementet, spaltes under virkningen av katalysatoren til elektroner og positivt ladede hydrogenioner H +. Så kommer en spesiell membran i spill som fungerer her som en elektrolytt i et konvensjonelt batteri. På grunn av den kjemiske sammensetningen, passerer den protoner gjennom seg selv, men den feller elektroner. Dermed skaper elektronene som er akkumulert på anoden en overflødig negativ ladning, og hydrogenioner skaper en positiv ladning på katoden (spenningen på elementet er omtrent 1V).
For å skape høy kraft er en brenselcelle satt sammen fra et antall celler. Hvis du inkluderer et element i belastningen, strømmer elektronene gjennom den til katoden, og skaper en strøm og fullfører prosessen med hydrogenoksidasjon med oksygen. Som katalysator i slike brenselceller blir platinamikropartikler avsatt på en karbonfiber typisk brukt. På grunn av sin struktur passerer en slik katalysator gass og elektrisitet godt. Membranen er vanligvis laget av en svovelholdig Nafion-polymer. Membranens tykkelse er lik tiendels millimeter. Under reaksjonen frigjøres selvfølgelig også varme, men det er ikke så mye, slik at driftstemperaturen holdes i området 40-80 ° C.
Fig. 1 Prinsippet for drift av brenselcellen
Det er andre typer brenselceller, hovedsakelig forskjellig i hvilken type elektrolytt som brukes. Nesten alle av dem krever hydrogen som drivstoff, så det oppstår et logisk spørsmål: hvor skal man få tak i det. Selvfølgelig ville det være mulig å bruke komprimert hydrogen fra sylindre, men da er det umiddelbart problemer forbundet med transport og lagring av denne meget brennbare gassen under høyt trykk. Selvfølgelig kan du bruke hydrogen i bundet form som i metallhydridbatterier. Men fremdeles gjenstår oppgaven med utvinning og transport, fordi infrastrukturen til hydrogengasstasjoner ikke eksisterer.
Imidlertid er det også en løsning - flytende hydrokarbonbrensel kan brukes som en kilde til hydrogen. For eksempel etyl eller metylalkohol. Det er sant at en spesiell tilleggsenhet allerede er nødvendig her - en drivstoffomformer, som konverterer alkoholer til en blanding av gassformig H2 og CO2 ved høy temperatur (for metanol vil den være et sted rundt 240 ° C). Men i dette tilfellet er det allerede vanskeligere å tenke på bærbarhet - slike enheter brukes godt som stasjonære eller bilgeneratorerMen for kompakt mobilutstyr trenger du noe mindre tungvint.
Og her kommer vi til den enheten, utviklingen som nesten alle de største produsentene av elektronikk driver med forferdelig kraft - metanol brenselcelle (figur 2).
Fig. 2 Prinsippet for drift av brenselcellen på metanol
Den grunnleggende forskjellen mellom fyllingselementer med hydrogen og metanol er katalysatoren som brukes. Katalysatoren i metanolbrenselcellen gjør at protoner kan fjernes direkte fra alkoholmolekylet.Dermed blir problemet med drivstoff løst - metylalkohol blir masseprodusert for den kjemiske industrien, det er enkelt å lagre og transportere, og å lade en metanol brenselcelle, det er nok å bare bytte patronen med drivstoff. Det er sant et betydelig minus - metanol er giftig. I tillegg er effektiviteten til en metanol brenselcelle betydelig lavere enn for en hydrogen.
Fig. 3. Metanol brenselcelle
Det mest fristende alternativet er å bruke etylalkohol som drivstoff, siden produksjon og distribusjon av alkoholholdige drikker av en hvilken som helst sammensetning og styrke er godt etablert over hele kloden. Imidlertid er effektiviteten til etanolbrenselceller dessverre enda lavere enn for metanol.
Som allerede bemerket over mange års utvikling innen brenselceller, har det blitt bygget forskjellige typer brenselceller. Drivstoffceller er klassifisert etter elektrolytt og type drivstoff.
1. Fast polymer hydrogen-oksygenelektrolytt.
2. Fast polymer metanol brenselceller.
3. Elementer på alkalisk elektrolytt.
4. Fosforsyre brenselceller.
5. Drivstoffceller på smeltet karbonater.
6. Fast oksid brenselceller.
Ideelt sett er effektiviteten til brenselceller veldig høy, men under reelle forhold er det tap forbundet med prosesser som ikke har noen quilibrium, for eksempel ohmiske tap på grunn av ledningsevnen til elektrolytten og elektrodene, aktivering og konsentrasjonspolarisering, diffusjonstap. Som et resultat av dette blir en del av energien som genereres i brenselcellene omdannet til varme. Spesialistenes innsats er rettet mot å redusere disse tapene.
Den viktigste kilden til ohmiske tap, så vel som grunnen til den høye prisen på brenselceller, er perfluorerte sulfokasjonsionbyttermembraner. Nå søker de etter alternative, billigere protonledende polymerer. Siden ledningsevnen til disse membranene (faste elektrolytter) når en akseptabel verdi (10 Ohm / cm) bare i nærvær av vann, må gassene som tilføres brenselcellen fuktes i tillegg i en spesiell innretning, noe som også gjør systemet dyrere. I katalytiske gassdiffusjonselektroder brukes hovedsakelig platina og noen andre edle metaller, og det er foreløpig ikke funnet noen erstatning. Selv om platinainnholdet i brenselcellene er flere mg / cm2, når mengden for store batterier titalls gram.
Ved utforming av brenselceller er mye oppmerksomhet rettet mot varmefjerningssystemet, siden systemet ved høye strømtettheter (opptil 1A / cm2) selv varmer opp. For avkjøling brukes vann som sirkulerer i brenselcellen gjennom spesielle kanaler, og ved lave kapasiteter brukes luftblåsing.
Så, det moderne systemet til den elektrokjemiske generatoren, foruten selve brenselcellebatteriet, "vokser" med mange tilleggsenheter, for eksempel: pumper, kompressor for lufttilførsel, hydrogeninntak, gassfukter, kjøleaggregat, gasslekkasjekontrollsystem, likestrøms-til-omformer, kontrollprosessor Alt dette fører til det faktum at kostnadene for brenselcelle-systemet i 2004-2005 var 2-3 tusen $ / kW. Ifølge eksperter vil brenselceller bli tilgjengelige for bruk i transport og i stasjonære kraftverk til en pris av 50-100 $ / kW.
For introduksjon av brenselceller i hverdagen, sammen med de billigere komponentene, må du forvente nye originale ideer og tilnærminger. Spesielt er høye forhåpninger knyttet til bruk av nanomaterialer og nanoteknologi. For eksempel kunngjorde flere selskaper for nylig etableringen av supereffektive katalysatorer, spesielt for en oksygenelektrode basert på klynger av nanopartikler av forskjellige metaller. I tillegg har det vært rapporter om utformingen av membranfrie brenselceller hvor flytende brensel (som metanol) tilføres brenselcellen sammen med et oksidasjonsmiddel.Et interessant konsept er også det utviklede konseptet for biodrivstoffelementer som opererer i forurenset vann og konsumerer oppløst oksygen som et oksidasjonsmiddel, og organiske urenheter som drivstoff.
I følge eksperter vil brenselceller komme inn i massemarkedet de kommende årene. Faktisk erobrer utviklere tekniske problemer etter hverandre, rapporterer om suksesser og presenterer prototyper av brenselceller. For eksempel har Toshiba demonstrert en ferdig prototyp metanol brenselcelle. Den har en størrelse på 22x56x4.5mm og gir en styrke i størrelsesorden 100 mW. Én påfylling i 2 terninger konsentrert (99,5%) metanol er nok for 20 timers arbeid med MP3-spilleren. Toshiba har gitt ut en kommersiell brenselcelle for å drive mobiltelefoner. Igjen demonstrerte den samme Toshiba et element for å drive bærbare datamaskiner som måler 275x75x40mm, slik at datamaskinen kunne jobbe i 5 timer fra en enkelt tanking.
Et annet japansk selskap, Fujitsu, ligger ikke langt etter Toshiba. I 2004 introduserte hun også et element som virker på en 30% vandig løsning av metanol. Denne brenselcellen virket ved en tanking i 300 ml i 10 timer og ga samtidig ut effekt på 15 watt.
Casio utvikler en brenselcelle hvor metanol først behandles til en blanding av gassformig H2 og CO2 i en miniatyrdrivstoffomformer, og deretter mates inn i brenselcellen. Under demonstrasjonen ga Casio-prototypen strøm til den bærbare datamaskinen i 20 timer.
Samsung ble også kjent innen brenselceller - i 2004 demonstrerte den sin 12 W-prototype designet for å drive en bærbar datamaskin. Generelt sett forventer Samsung å bruke brenselceller, først og fremst i fjerde generasjons smarttelefoner.
Jeg må si at japanske selskaper generelt veldig grundig nærmet seg utviklingen av brenselceller. Tilbake i 2003 slo selskaper som Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony og Toshiba seg sammen for å utvikle en felles brenselcellestandard for bærbare datamaskiner, mobiltelefoner, PDA-er og andre elektroniske enheter. Amerikanske selskaper, som også er mange i dette markedet, arbeider stort sett under kontrakter med militæret og utvikler brenselceller for elektrifisering av amerikanske soldater.
Tyskerne ligger ikke langt etter - Smart Fuel Cell selger brenselceller for å drive et mobilkontor. Enheten kalles Smart Fuel Cell C25, den har dimensjoner på 150x112x65mm og kan produsere opptil 140 wattimer på en enkelt bensinstasjon. Dette er nok til å drive den bærbare datamaskinen i omtrent 7 timer. Da kan kassetten byttes ut, og du kan fortsette å jobbe. Størrelsen på kassetten med metanol er 99x63x27 mm, og den veier 150g. Selve systemet veier 1,1 kg, så du kan ikke kalle det absolutt bærbart, men likevel er det en komplett og praktisk enhet. Selskapet utvikler også en drivstoffmodul for å drive profesjonelle videokameraer.
Generelt har brenselceller nesten kommet inn på det mobile elektronikkmarkedet. Produsentene må løse de siste tekniske problemene før de starter masseproduksjon.
For det første er det nødvendig å løse spørsmålet om miniatyrisering av brenselceller. Tross alt, jo mindre brenselcelle, jo mindre kraft vil den kunne gi ut - slik at det stadig utvikles nye katalysatorer og elektroder som gjør det mulig i små størrelser å maksimere arbeidsflaten. Her, akkurat i tid, er nyere utvikling innen nanoteknologi og nanomaterialer (for eksempel nanorør) veldig nyttig. For å minimere rørsystemene til elementer (drivstoff- og vannpumper, kjøle- og drivstoffkonverteringssystemer) blir mikroelektromekaniske fremskritt i økende grad brukt.
Det andre viktige problemet som må løses er prisen. Faktisk, som en katalysator i de fleste brenselceller, brukes veldig kostbart platina.Igjen prøver noen av produsentene å få mest mulig ut av den allerede velutviklede silisiumteknologien.
Når det gjelder andre områder med bruk av brenselceller, er brenselcellene allerede godt etablert der, selv om de ennå ikke har blitt mainstream i energisektoren eller i transport. Allerede har mange bilprodusenter presentert sine drivstoffcelle-drevne konseptbiler. I flere byer rundt om i verden kjører busser med brenselceller. Canadiske Ballard Power Systems produserer en rekke stasjonære generatorer fra 1 til 250 kW. Samtidig er kilowattgeneratorer designet for å umiddelbart forsyne en leilighet med strøm, varme og varmt vann.
Se også: Alternative energikilder
Se også på elektrohomepro.com
: