kategorier: Udvalgte artikler » Interessante elektriske nyheder
Antal visninger: 51203
Kommentarer til artiklen: 7
Hvad er brændselsceller
Mobil elektronik hvert år, hvis ikke en måned, bliver mere tilgængelig og udbredt. Her har du bærbare computere, PDA'er og digitale kameraer og mobiltelefoner og et væld af mange forskellige nyttige og ikke så enheder. Og alle disse enheder erhverver kontinuerligt nye funktioner, mere kraftfulde processorer, store farveskærme, trådløs kommunikation, mens de samtidig aftager i størrelse. Men i modsætning til halvlederteknologier går strømteknologierne i alle disse mobile menagerier ikke med store sprang.
Konventionelle genopladelige batterier og batterier er helt klart ikke nok til at drive de seneste fremskridt inden for elektronikindustrien i nogen betydelig periode. Og uden pålidelige og rummelige batterier går hele betydningen af mobilitet og trådløshed tabt. Så computerbranchen arbejder mere og mere aktivt på problemet alternative strømforsyninger. Og den mest lovende, i dag, er retning brændselsceller.
Det grundlæggende princip for drift af brændselsceller blev opdaget af den britiske videnskabsmand Sir William Grove i 1839. Han er kendt som brændselscelleens far. William Grove producerede elektricitet ved at skifte elektrolyse af vand til ekstraktion af brint og ilt. Efter at have koblet batteriet fra den elektrolytiske celle, blev Grove overrasket over at opdage, at elektroderne begyndte at absorbere den frigjorte gas og generere strøm. Processåbning elektrokemisk kold forbrænding af brint en begivenhed i energisektoren blev betydelig, og i fremtiden spillede så velkendte elektrokemikere som Ostwald og Nernst en stor rolle i udviklingen af de teoretiske fundamenter og praktisk implementering af brændselsceller og forudsagde en stor fremtid for dem.
selv udtrykket "brændselscelle" (brændselscelle) dukkede op senere - det blev foreslået i 1889 af Ludwig Mond og Charles Langer, der forsøgte at skabe en anordning til generering af elektricitet fra luft og kulgas.
Under normal forbrænding oxiderer ilt fossile brændstoffer, og brændstoffets kemiske energi omdannes ineffektivt til termisk energi. Men det viste sig at være muligt at udføre oxidationsreaktionen, for eksempel hydrogen med ilt, i et elektrolytmedium og i nærvær af elektroder for at opnå en elektrisk strøm. For eksempel leverer vi brint til en elektrode placeret i et alkalisk medium, får vi elektroner:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
som, gennem et eksternt kredsløb, går til den modsatte elektrode, hvortil ilt kommer ind, og hvor reaktionen finder sted: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Det kan ses, at den resulterende reaktion 2H2 + O2 → H2O er den samme som under normal forbrænding, men i brændselscellen eller på anden måde i elektrokemisk generator, det viser sig elektrisk strøm med høj effektivitet og delvis varme. Bemærk, at kul, kulilte, alkoholer, hydrazin, andre organiske stoffer kan også bruges som brændstof i brændselsceller, og luft, brintperoxid, klor, brom, salpetersyre osv. kan anvendes som oxidationsmidler.
Udviklingen af brændselsceller fortsatte kraftigt både i udlandet og i Rusland og videre i USSR. Blandt de videnskabsmænd, der bidrog meget til undersøgelsen af brændselsceller, nævner vi V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. I midten af det forrige århundrede begyndte et nyt angreb på brændselscelleproblemer. Dette skyldes delvis fremkomsten af nye ideer, materialer og teknologier som et resultat af forsvarsforskning.
En af forskerne, der gjorde et stort skridt i udviklingen af brændselsceller var P. M. Spiridonov. Hydrogen-iltelementer i Spiridonov gav en strømtæthed på 30 mA / cm2, som for den tid blev betragtet som en stor præstation.I firserne skabte O. Davtyan en installation til den elektrokemiske forbrænding af generatorgas opnået ved kulforgasning. For hver kubikmeter elementvolumen modtog Davtyan 5 kW strøm.
Det var det første faste elektrolytbrændselscelle. Det havde høj effektivitet, men med tiden blev elektrolytten ubrugelig, og den måtte ændres. Efterfølgende, i slutningen af halvtredserne, oprettede Davtyan en kraftfuld installation, der fremdrev traktoren. I de samme år designede og byggede den engelske ingeniør T. Bacon et brændselscellebatteri med en samlet kapacitet på 6 kW og en effektivitet på 80%, der arbejdede på rent brint og ilt, men forholdet mellem magt og batterivægt var for lille - sådanne elementer var uegnet til praktisk brug og også kære dem.
I de efterfølgende år er ensomhedstiden gået. Oprettelsen af rumfartøjer blev interesseret i brændselsceller. Siden midten af 60'erne er der investeret millioner af dollars i forskning i brændselsceller. Arbejdet med tusinder af forskere og ingeniører fik lov til at nå et nyt niveau, og i 1965. brændselsceller blev testet i USA på rumskibet Gemini 5 og senere på Apollo-skibe til flyvning til månen og under Shuttle-programmet.
I USSR blev brændselsceller udviklet ved NPO Kvant, også til brug i rummet. I disse år dukkede allerede nye materialer op - faste polymerelektrolytter baseret på ionbyttermembraner, nye typer katalysatorer, elektroder. Og alligevel var arbejdsstrømtætheden lille - i området 100-200 mA / cm2, og platinindholdet på elektroderne var adskillige g / cm2. Der var mange problemer forbundet med holdbarhed, stabilitet og sikkerhed.
Den næste fase af hurtig udvikling af brændselsceller begyndte i 90'erne. sidste århundrede og fortsætter nu. Det skyldes behovet for nye effektive energikilder på den ene side på grund af det globale miljøproblem af de stigende drivhusgasemissioner fra forbrænding af fossile brændstoffer og på den anden side udtømningen af sådanne brændstoffer. Da vand er slutproduktet af brintforbrænding i en brændselscelle, betragtes de som det reneste set ud fra miljøpåvirkningen. Hovedproblemet er kun at finde en effektiv og billig måde at fremstille brint på.
Milliarder økonomiske investeringer i udvikling af brændselsceller og brintgeneratorer bør føre til et teknologisk gennembrud og gøre deres anvendelse i hverdagen til virkelighed: i mobiltelefonceller, i biler, i kraftværker. Allerede demonstrerer bilgiganter som Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors biler og busser, der kører på 50kW brændselsceller. En række virksomheder har udviklet sig demonstrationsanlæg til fast brændsel elektrolytbrændselscelle op til 500 kW. Men på trods af et betydeligt gennembrud i forbedring af brændselscellernes ydelse, er der stadig mange problemer, der skal løses i forbindelse med deres omkostninger, pålidelighed og sikkerhed.
I modsætning til batterier og akkumulatorer leveres både brændstof og oxidator til det udefra i en brændselscelle. Brændselscellen er kun en mægler i reaktionen, og under ideelle forhold kunne den fungere næsten for evigt. Det smukke ved denne teknologi er det faktisk brændes brændstof i elementet, og den frigjorte energi omdannes direkte til elektricitet. Ved direkte forbrænding af brændstof oxideres det med ilt, og den varme, der genereres i denne proces, bruges til at afslutte nyttigt arbejde.
I en brændselscelle, som i batterier, adskilles reaktionerne ved brændstofoxidation og iltreduktion rumligt, og processen med at "brænde" fortsætter kun, hvis cellen afgiver strøm til belastningen. Det er som dieselgenerator, kun uden diesel og generator. Og også uden røg, støj, overophedning og med meget højere effektivitet. Sidstnævnte forklares ved, at der for det første ikke er nogen mekaniske mellemliggende apparater, og for det andet er brændselscellen ikke en varmemotor og derfor ikke overholder Carnot-loven (dvs. dens effektivitet bestemmes ikke af temperaturforskellen).
Oxygen anvendes som et oxidationsmiddel i brændselsceller. Eftersom ilt er tilstrækkelig i luften, er der ingen grund til at bekymre sig om tilførslen af et oxidationsmiddel. Hvad brændstof angår, er det brint. Så reaktionen forekommer i brændselscellen:
2H2 + O2 → 2H2O + elektricitet + varme.
Resultatet er nyttig energi og vanddamp. Den enkleste i dens design er protonbyttermembranbrændselscelle (se figur 1). Det fungerer som følger: brintet, der trænger ind i elementet, nedbrydes under katalysatorens virkning til elektroner og positivt ladede brintioner H +. Så kommer en speciel membran i spil, der fungerer som en elektrolyt i et konventionelt batteri. På grund af dets kemiske sammensætning fører det protoner gennem sig selv, men det fælder elektroner. Således skaber de elektroner, der akkumuleres på anoden, en overskydende negativ ladning, og brintioner skaber en positiv ladning på katoden (spændingen på elementet er ca. 1V).
For at skabe høj effekt samles en brændselscelle fra et antal celler. Hvis du inkluderer et element i belastningen, strømmer elektronerne gennem det til katoden, skaber en strøm og afslutter processen med brintoxidation med ilt. Som katalysator i sådanne brændselsceller anvendes typisk platinamikropartikler deponeret på en carbonfiber. På grund af dens struktur passerer en sådan katalysator gas og elektricitet godt. Membranen er typisk fremstillet af en svovlholdig Nafion-polymer. Membranens tykkelse er lig med tiendedele af en millimeter. Under reaktionen frigives naturligvis også varme, men det er ikke så meget, så driftstemperaturen opretholdes i området 40-80 ° C.
Fig. 1 Princippet om drift af brændselscellen
Der er andre typer brændselsceller, der hovedsageligt adskiller sig i den anvendte type elektrolyt. Næsten alle af dem kræver brint som brændstof, så der opstår et logisk spørgsmål: hvor man kan få det. Selvfølgelig ville det være muligt at anvende komprimeret brint fra cylindre, men så er der straks problemer forbundet med transport og opbevaring af denne meget brandfarlige gas under højt tryk. Naturligvis kan du bruge brint i bundet form som i metalhydridbatterier. Men stadig er opgaven fortsat med dens udvinding og transport, fordi infrastrukturen i brintgasstationer ikke findes.
Der er dog også en opløsning - flydende carbonhydridbrændstof kan bruges som en kilde til brint. F.eks. Ethyl eller methylalkohol. Det er sandt, at der allerede er behov for en særlig ekstra enhed - en brændstofomformer, der omdanner alkoholer til en blanding af gasformig H2 og CO2 ved høj temperatur (for methanol vil den være et sted omkring 240 ° C). Men i dette tilfælde er det allerede vanskeligere at tænke på bærbarhed - sådanne enheder bruges godt som stationære eller bilgeneratorerMen til kompakt mobilt udstyr har du brug for noget mindre besværligt.
Og her kommer vi til den enhed, hvis udvikling næsten alle de største producenter af elektronik beskæftiger sig med frygtelig kraft - methanol brændselscelle (figur 2).
Fig. Princippet for drift af brændselscellen på methanol
Den grundlæggende forskel mellem hydrogen- og methanolpåfyldningselementer er den anvendte katalysator. Katalysatoren i methanolbrændselscellen gør det muligt at fjerne protoner direkte fra alkoholmolekylet.Således løses spørgsmålet om brændstof - methylalkohol masseproduceres til den kemiske industri, det er let at opbevare og transportere, og at oplade en methanol-brændselscelle er det nok til blot at udskifte patronen med brændstof. Der er sandt et markant minus - methanol er giftig. Derudover er effektiviteten af en methanol-brændselscelle betydeligt lavere end for en brint.
Fig. 3. Methanolbrændselscelle
Den mest fristende mulighed er at bruge ethylalkohol som brændstof, da produktion og distribution af alkoholiske drikkevarer af enhver sammensætning og styrke er veletableret over hele kloden. Dog er effektiviteten af ethanolbrændselsceller desværre endnu lavere end for methanol.
Som allerede bemærket gennem mange års udvikling inden for brændselsceller er der blevet bygget forskellige typer brændselsceller. Brændselsceller klassificeres efter elektrolyt og brændstoftype.
1. Fast polymer hydrogen-oxygenelektrolyt.
2. Fast polymer methanolbrændselsceller.
3. Elementer på alkalisk elektrolyt.
4. Brændselsceller med fosforsyre.
5. Brændstofceller på smeltede carbonater.
6. Fastoxid-brændselsceller.
Ideelt er effektiviteten af brændselsceller meget høj, men under reelle betingelser er der tab forbundet med ingen quilibrium-processer, såsom ohmiske tab på grund af elektrolytens og elektrodernes ledningsevne, aktivering og koncentrationspolarisering, diffusionstab. Som et resultat heraf omdannes en del af den energi, der genereres i brændselscellerne til varme. Specialisternes indsats er rettet mod at reducere disse tab.
Den vigtigste kilde til ohmiske tab såvel som årsagen til den høje pris på brændselsceller er perfluorerede sulfoceringsionbyttermembraner. Nu leder vi efter alternative, billigere protonledende polymerer. Da ledningsevnen af disse membraner (faste elektrolytter) kun når en acceptabel værdi (10 Ohm / cm) i nærværelse af vand, skal de gasser, der leveres til brændselscellen, fugtes yderligere i en speciel anordning, hvilket også gør systemet dyrere. I katalytiske gasdiffusionselektroder bruges hovedsageligt platin og nogle andre ædelmetaller, og indtil videre er der ikke fundet nogen erstatning. Selvom platinindholdet i brændselscellerne er adskillige mg / cm2, når dens størrelse for store batterier titusindvis af gram.
Når man designer brændselsceller, er man meget opmærksom på varmefjerningssystemet, da systemet ved høje strømtætheder (op til 1A / cm2) selv varmer op. Til afkøling anvendes vand, der cirkulerer i brændselscellen gennem specielle kanaler, og ved lave kapaciteter anvendes luftblæsning.
Altså, det moderne system af den elektrokemiske generator, udover selve brændselscellebatteriet, "vokser" med mange hjælpeanordninger, såsom: pumper, kompressor til luftforsyning, brintindløb, gasfugter, køleenhed, gasudslipkontrolsystem, DC til AC-konverter, kontrolprocessor osv. Alt dette fører til det faktum, at omkostningerne ved brændselscelleanlægget i 2004-2005 var 2-3 tusind $ / kW. Ifølge eksperter bliver brændselsceller tilgængelige til brug i transport og i stationære kraftværker til en pris på 50-100 $ / kW.
For introduktion af brændselsceller i hverdagen sammen med de billigere komponenter, skal du forvente nye originale ideer og tilgange. Især er der store forhåbninger forbundet med brugen af nanomaterialer og nanoteknologi. For eksempel har flere virksomheder for nylig annonceret oprettelse af supereffektive katalysatorer, især til en iltelektrode baseret på klynger af nanopartikler af forskellige metaller. Der er endvidere rapporteret om udformningen af membranfrie brændselsceller, hvori flydende brændstof (f.eks. Methanol) tilføres brændselscellen sammen med et oxidationsmiddel.Et interessant koncept er også det udviklede koncept med biobrændstofelementer, der fungerer i forurenede farvande og forbruger opløst ilt som et oxidationsmiddel, og organiske urenheder som brændstof.
Ifølge eksperter vil brændselsceller komme ind på massemarkedet i de kommende år. Faktisk erobrer udviklere tekniske problemer efter hinanden, rapporterer om succeser og præsenterer prototyper af brændselsceller. For eksempel har Toshiba demonstreret en færdig prototype methanol-brændselscelle. Den har en størrelse på 22x56x4.5mm og giver en styrke i størrelsesordenen 100 mW. Én tankning i 2 terninger koncentreret (99,5%) methanol er nok til 20 timers arbejde med MP3-afspilleren. Toshiba har frigivet en kommerciel brændselscelle til at drive mobiltelefoner. Igen demonstrerede den samme Toshiba et element til at tænde bærbare computere, der måler 275x75x40mm, hvilket gjorde det muligt for computeren at arbejde i 5 timer fra en enkelt tankning.
Et andet japansk firma, Fujitsu, er ikke langt bag Toshiba. I 2004 introducerede hun også et element, der virkede på en 30% vandig opløsning af methanol. Denne brændselscelle arbejdede ved en tankning i 300 ml i 10 timer og gav samtidig effekt på 15 watt.
Casio udvikler en brændselscelle, hvor methanol først forarbejdes til en blanding af gasformig H2 og CO2 i en miniatyrbrændstofomformer og derefter føres ind i brændselscellen. Under demonstrationen leverede Casio-prototypen strøm til den bærbare computer i 20 timer.
Samsung blev også bemærket inden for brændselsceller - i 2004 demonstrerede den sin 12 W prototype designet til at drive en bærbar computer. Generelt forventer Samsung at bruge brændselsceller, primært i fjerde generation af smartphones.
Jeg må sige, at japanske virksomheder generelt meget grundigt nærmet sig udviklingen af brændselsceller. Tilbage i 2003 samlede virksomheder som Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony og Toshiba sig sammen om at udvikle en fælles brændselscellestandard til bærbare computere, mobiltelefoner, PDA'er og andre elektroniske enheder. Amerikanske virksomheder, der også er talrige på dette marked, arbejder for det meste under kontrakter med militæret og udvikler brændselsceller til elektrificering af amerikanske soldater.
Tyskerne er ikke langt bagefter - Smart Fuel Cell sælger brændselsceller til at drive et mobilt kontor. Enheden kaldes Smart Fuel Cell C25, den har dimensioner på 150x112x65mm og kan producere op til 140 watt timer på en enkelt tankstation. Dette er nok til at tænde den bærbare computer i cirka 7 timer. Derefter kan patronen udskiftes, og du kan fortsætte med at arbejde. Størrelsen på patronen med methanol er 99x63x27 mm, og den vejer 150 g. Selve systemet vejer 1,1 kg, så du kan overhovedet ikke kalde det bærbart, men det er stadig en komplet og praktisk enhed. Virksomheden udvikler også et brændstofmodul til drift af professionelle videokameraer.
Generelt er brændselsceller næsten kommet ind på det mobile elektronikmarked. Producenter overlades til at løse de nyeste tekniske problemer, inden de begynder med masseproduktion.
For det første er det nødvendigt at løse spørgsmålet om miniaturisering af brændselsceller. Når alt kommer til alt, jo mindre brændselscelle, desto mindre strøm kan den give ud - så der udvikles konstant nye katalysatorer og elektroder, der i små størrelser muliggør maksimal arbejdsoverflade. Her, lige i tide, er den nyeste udvikling inden for nanoteknologi og nanomaterialer (f.eks. Nanorør) praktisk. For at minimere rørsystemet til elementer (brændstof- og vandpumper, køle- og brændstofomdannelsessystemer) anvendes der i stigende grad mikroelektromekaniske fremskridt.
Det andet vigtige problem, der skal løses, er prisen. Som katalysator i de fleste brændselsceller anvendes faktisk meget dyre platin.Igen forsøger nogle af producenterne at få mest muligt ud af den allerede veludviklede siliciumteknologi.
Som for andre områder af brugen af brændselsceller er brændselscellerne allerede veletablerede der, selvom de endnu ikke er blevet mainstream inden for energisektoren eller i transport. Mange bilproducenter har allerede præsenteret deres konceptbiler med brændselscelle. I flere byer rundt om i verden kører brændselscellebusser rundt. Canadiske Ballard Power Systems producerer en række stationære generatorer fra 1 til 250 kW. Samtidig er kilowattgeneratorer designet til straks at forsyne en lejlighed med elektricitet, varme og varmt vand.
Se også: Alternative energikilder
Se også på elektrohomepro.com
: