Mik az üzemanyagcellák?

A mobil elektronika minden évben, ha nem is egy hónapban, egyre hozzáférhetőbbé és elterjedtebbé válik. Itt vannak laptopok, PDA-k, digitális fényképezőgépek és mobiltelefonok, és rengeteg különféle hasznos és nem ilyen eszköz. És ezek az eszközök folyamatosan új funkciókat, erősebb processzorokat, nagyméretű színes képernyőket, vezeték nélküli kommunikációt szereznek, ugyanakkor méretük csökken. De a félvezető technológiáktól eltérően, a mobil menagerie energiatechnológiái nem haladnak át ugrásszerűen.

A hagyományos újratölthető elemek és akkumulátorok nyilvánvalóan nem elegendőek az elektronikai ipar legfrissebb előnyeinek jelentős időtartamra történő táplálásához. Megbízható és kapacitásos akkumulátorok nélkül elveszik a mobilitás és a vezeték nélküli kapcsolat értelme. Tehát a számítógépes ipar egyre aktívabban dolgozik a problémán alternatív tápegységek. És a legígéretesebb irány az manapság üzemanyagcellák.

Az üzemanyagcellák működésének alapelveit Sir William Grove brit tudós fedezte fel 1839-ben. Az üzemanyagcella apjaként ismerték. William Grove a váltással generált villamos energiát a víz elektrolízise hidrogén és oxigén kinyerésére. Miután leválasztotta az akkumulátort az elektrolitikus cellától, Grove meglepte, hogy az elektródok elkezdenek abszorbeálni a felszabadult gázt és áramot generálni. A folyamat megnyitása hidrogén elektrokémiai hidegégetése az energiaágazatban bekövetkezett esemény jelentősebbé vált, és a jövőben az olyan ismert elektrokémikusok, mint Ostwald és Nernst nagy szerepet játszottak az üzemanyagcellák elméleti alapjainak kidolgozásában és gyakorlati megvalósításában, és nagy jövőt jósoltak számukra.

önmaga az "üzemanyagcella" (üzemanyagcella) kifejezés később jelent meg - 1889-ben Ludwig Mond és Charles Langer javasolta, akik megkíséreltek létrehozni egy eszközt a levegő és a széngáz áramtermelésére.

Normál égés során az oxigén oxidálja a fosszilis tüzelőanyagokat, és az üzemanyag kémiai energiája hatástalanul hőenergiává alakul. Kiderült azonban, hogy az oxidációs reakciót, például hidrogénnel oxigénnel, elektrolit közegben és elektródok jelenlétében hajthatjuk végre, hogy áramot nyerjünk. Például ha hidrogént juttatunk egy lúgos közegben található elektródhoz, akkor elektronokat kapunk:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

amelyek egy külső áramkörön áthaladva az ellenkező elektródra mennek, amelybe az oxigén belép, és ahol a reakció zajlik: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Látható, hogy a kapott 2H2 + O2 → H2O reakció ugyanaz, mint a normál égés során, de az üzemanyagcellában vagy más módon elektrokémiai generátor, kiderül, hogy az elektromos áram nagy hatékonyságú és részben hővel jár. Vegye figyelembe szén, szén-monoxid, alkoholok, hidrazin, más szerves anyagok is felhasználhatók tüzelőanyag-cellákban, oxidálószerként pedig levegő, hidrogén-peroxid, klór, bróm, salétromsav stb.

Az üzemanyagcellák fejlesztése erőteljesen folytatódott mind külföldön, mind Oroszországban, és tovább a Szovjetunióban. A tudományos kutatók közül, akik nagyban hozzájárultak az üzemanyagcellák tanulmányozásához, megemlítjük Zhako V., Yablochkov P., Bacon F., Bauer E., Justi E., Cordes K. részét. A múlt század közepén új támadás indult az üzemanyagcellákkal kapcsolatos problémákkal szemben. Ez részben annak köszönhető, hogy a védelmi kutatás eredményeként új ötletek, anyagok és technológiák merültek fel.

Az egyik tudós, aki jelentős lépést tett az üzemanyagcellák fejlesztésében, P. M. Spiridonov volt. Spiridonov hidrogén-oxigén elemei 30 mA / cm2 áramsűrűséget adott, amelyet akkoriban nagy eredménynek tartottak.A negyvenes években O. Davtyan létesítményt hozott létre a szén-gázosítással előállított generátorgáz elektrokémiai égetésére. Minden köbméter elemmennyiség mellett Davtyan 5 kW energiát kapott.

Az volt első szilárd elektrolit üzemanyagcella. Nagy hatékonyságú, de az idő múlásával az elektrolit használhatatlanná vált, és azt ki kellett cserélni. Később, az ötvenes évek végén, Davtyan létrehozott egy hatalmas berendezést, amely meghajtotta a traktort. Ugyanebben az években az T. Bacon angol mérnök 6 kW teljes kapacitású és 80% -os hatékonyságú tüzelőanyag-cellás akkumulátort tervezett és épített, tiszta hidrogénnel és oxigénnel működve, de a teljesítmény és az akkumulátor súlyának aránya túl kicsi volt - ezek az elemek nem voltak alkalmasak gyakorlati felhasználásra és túl kedvesem.

A következő években a magányok ideje elmúlt. Az űrhajók alkotói érdeklődtek az üzemanyagcellák iránt. A 60-as évek közepe óta millió dollárt fektettek be az üzemanyagcellák kutatásába. Több ezer tudós és mérnök munkája megengedte új szint elérését, és 1965-ben. Az üzemanyagcellákat az Egyesült Államokban tesztelték a Gemini 5 űrhajón, majd később az Apollo hajókon, a Holdra történő repüléshez és a Shuttle program keretében.

A Szovjetunióban az NPO Kvantnél üzemanyagcellákat fejlesztettek ki, űrkutatás céljából is. Azokban az években már megjelentek új anyagok - ioncserélő membránokon alapuló szilárd polimer elektrolitok, új típusú katalizátorok, elektródák. És mégis, az üzemi sűrűség kicsi - 100-200 mA / cm2 tartományban volt, és az elektródok platinatartalma több g / cm2 volt. Sok probléma merült fel a tartósság, a stabilitás és a biztonság szempontjából.

Az üzemanyagcellák gyors fejlődésének következő szakasza a 90-es években kezdődött. a múlt században és most folytatódik. Ennek oka egy új, hatékony energiaforrás iránti igény, egyrészt a fosszilis tüzelőanyagok égéséből származó növekvő üvegházhatású gázok kibocsátásának globális környezeti problémája, másrészről pedig az ilyen üzemanyagok kimerülése miatt. Mivel a víz az üzemanyagcellában a hidrogénégetés végterméke, a környezeti hatás szempontjából ezeket a legtisztábbnak tekintik. A fő probléma csak az, hogy hatékony és olcsó módszert találjon a hidrogén előállítására.

Az üzemanyagcellák és a hidrogéngenerátorok fejlesztéséhez szükséges milliárd pénzügyi beruházásnak technológiai áttörést kell eredményeznie, és valódivá kell tennie azok használatát a mindennapi életben: mobiltelefon cellákban, autókban, erőművekben. Az olyan autó óriások, mint a Ballard, a Honda, a Daimler Chrysler, a General Motors, 50 kW teljesítményű üzemanyagcellákon működő autókra és buszokra mutatnak be. Számos vállalat fejlődött ki szilárd tüzelőanyag-elektrolit-tüzelőanyag-demonstrációs üzemek 500 kW-ig. De az üzemanyagcellák teljesítményének javítása terén elért jelentős áttörés ellenére sok problémát még meg kell oldani, amelyek költségeikkel, megbízhatóságával és biztonságával kapcsolatosak.

Az üzemanyagcellában, az elemektől és akkumulátoroktól eltérően, mind az üzemanyagot, mind az oxidátort kívülről szállítják. Az üzemanyagcella csak a mediátor a reakcióban, és ideális körülmények között szinte örökké működhet. Ennek a technológiának a szépsége az Valójában az elemben az üzemanyag elégetik, és a felszabaduló energia közvetlenül villamos energiává alakul. Az üzemanyag közvetlen égetésével oxigénnel oxidálódik, és az ebben a folyamatban keletkező hőt felhasználják a hasznos munka elvégzésére.

Az üzemanyagcellában, akárcsak az akkumulátorokban, az üzemanyag-oxidáció és az oxigén redukciójának reakciói térben el vannak választva, és az "égés" folyamata csak akkor folytatódik, ha a cella áramot ad a terhelésnek. Olyan mint dízelgenerátor, csak dízel és generátor nélkül. És füst, zaj, túlmelegedés és sokkal nagyobb hatékonyság nélkül is. Ez utóbbi azzal magyarázható, hogy egyrészt nincsenek közbenső mechanikus eszközök, másrészt az üzemanyagcella nem hőmotor, ezért nem tartja be a Carnot törvényt (vagyis hatékonyságát nem a hőmérsékleti különbség határozza meg).

Az oxigént oxidálószerként használják az üzemanyagcellákban. Ráadásul, mivel az oxigén elegendő a levegőben, nem kell aggódnia az oxidálószer ellátása miatt. Ami az üzemanyagot illeti, ez hidrogén. Tehát, a reakció az üzemanyagcellában zajlik:

2H2 + O2 → 2H2O + villamosenergia + hő.

Az eredmény hasznos energia és vízgőz. A legegyszerűbb a kialakításban protoncserélő membrán üzemanyagcella (lásd az 1. ábrát). Az alábbiak szerint működik: az elembe belépő hidrogén a katalizátor hatására elektronokká és pozitív töltésű H + hidrogénionokká bomlik. Ezután egy speciális membrán kerül játékba, amely itt egy hagyományos akkumulátor elektrolitként működik. Kémiai összetétele miatt átjut a protonokon, de csapdába ejti az elektronokat. Így az anódon felhalmozódott elektronok felesleges negatív töltést hoznak létre, a hidrogénionok pedig pozitív töltést hoznak létre a katódon (az elem feszültsége körülbelül 1 V).

A nagy teljesítmény elérése érdekében egy üzemanyagcellát több cellából össze kell állítani. Ha egy elemet belefoglal a terhelésbe, akkor az elektronok átjutnak rajta a katódba, áramot képeznek és befejezik a hidrogén oxigén-oxidációs folyamatát. Az ilyen tüzelőanyagcellákban katalizátorként általában a szénszálon lerakódott platina mikrorészecskéket használják. Szerkezete miatt egy ilyen katalizátor jól továbbítja a gázt és az elektromos áramot. A membránt általában kéntartalmú Nafion-polimerből készítik. A membrán vastagsága milliméter tizedeinek felel meg. A reakció során természetesen hő is szabadul fel, de ez nem annyira, hogy az üzemi hőmérsékletet 40–80 ° C-on tartsák.

1. ábra Az üzemanyagcella működésének elve

Más tüzelőanyagcellák is léteznek, elsősorban az alkalmazott elektrolit típusától függően. Szinte mindegyikben hidrogénre van szükség üzemanyagként, tehát logikus kérdés merül fel: hová juthat el? Természetesen lehetséges a hengerekből származó sűrített hidrogén is, de akkor azonnal problémák merülnek fel ennek a nagyon gyúlékony gáznak magas nyomás alatt történő szállítása és tárolása során. Természetesen kötött formában is használhat hidrogént, mint a fémhidrid akkumulátorokban. Ennek ellenére továbbra is a kinyerés és a szállítás feladata, mert a hidrogén benzinkutak infrastruktúrája nem létezik.

Van azonban egy megoldás is - folyékony szénhidrogén üzemanyag használható hidrogénforrásként. Például etil- vagy metil-alkohol. Igaz, itt már szükség van egy speciális kiegészítő eszközre - egy tüzelőanyag-átalakítóra, amely magas hőmérsékleten átalakítja az alkoholokat gáznemű H2 és CO2 keverékévé (metanol esetében ez körülbelül 240 ° C körül lesz). De ebben az esetben már nehezebb gondolkodni a hordozhatóságról - ezeket az eszközöket jól használják helyhez kötött vagy autó generátorokA kompakt mobil eszközökhöz azonban valami kevésbé nehézkesre van szüksége.

És itt jutunk ehhez az eszközhöz, amelynek fejlesztését szinte az összes legnagyobb elektronikai gyártó félelmetes erővel bírja - metanol üzemanyagcella (2. ábra).

2. ábra Az üzemanyagcella működésének elve a metanolon

A hidrogén és a metanol töltőelemek közötti alapvető különbség az alkalmazott katalizátor. A metanol üzemanyagcellában lévő katalizátor lehetővé teszi a protonok közvetlen eltávolítását az alkoholmolekulából.Így megoldódik az üzemanyag kérdése - a metil-alkoholt tömeggyártásban használják a vegyipar számára, könnyen tárolható és szállítható, és egy metanol üzemanyagcellának feltöltéséhez elegendő a patron egyszerű üzemanyaggal történő cseréje. Igaz, van egy jelentős mínusz - a metanol mérgező. Ezenkívül a metanolos üzemanyagcellák hatékonysága lényegesen alacsonyabb, mint a hidrogénüzemű cellák hatékonysága.

Ábra. 3. Metanol üzemanyagcella

A legizgalmasabb lehetőség az etil-alkohol használata tüzelőanyagként, mivel bármilyen összetételű és alkoholtartalmú alkoholtartalmú italok előállítása és forgalmazása világszerte jól bevált. Az etanol üzemanyagcellák hatékonysága azonban sajnos még alacsonyabb, mint a metanolé.

Amint az üzemanyagcellák területén a sok éves fejlesztés során már rámutattak, különféle típusú üzemanyagcellákat építettek. Az üzemanyagcellákat az elektrolit és az üzemanyag típusa szerint osztályozzuk.

1. Szilárd polimer hidrogén-oxigén elektrolit.

2. Szilárd polimer metanol üzemanyagcellák.

3. Az alkáli elektrolit elemei.

4. Foszforsav üzemanyagcellák.

5. Üzemanyagcellák az olvadt karbonátokon.

6. Szilárd oxid üzemanyagcellák.

Ideális esetben az üzemanyagcellák hatékonysága nagyon magas, de a valós körülmények között veszteségek vannak a nem egyensúlyi folyamatokhoz kapcsolódóan, például az elektrolit és az elektródok vezetőképességéből adódó ohmi veszteségek, az aktiválás és a koncentráció polarizációja, a diffúziós veszteségek. Ennek eredményeként az üzemanyagcellákban előállított energia egy része hővessé alakul. A szakemberek erőfeszítéseinek célja e veszteségek csökkentése.

Az ohmikus veszteségek fő forrása, valamint az üzemanyagcellák magas árának oka a perfluorozott szulfocation-ioncserélő membránok. Most alternatív, olcsóbb protonvezető polimereket keresünk. Mivel ezeknek a membránoknak (szilárd elektrolitok) vezetőképessége csak víz jelenlétében éri el az elfogadható értéket (10 Ohm / cm), az üzemanyagcellába bejuttatott gázokat ezenkívül speciális eszközben kell megnedvesíteni, ami a rendszert drágábbá teszi. A katalitikus gázdiffúziós elektródokban elsősorban platinát és más nemesfémeket használnak, és eddig nem találtak helyettesítést. Noha az üzemanyagcellákban a platinatartalom több mg / cm2, nagy akkumulátorok esetében ez eléri a tíz grammot.

Az üzemanyagcellák tervezésekor nagy figyelmet kell fordítani a hőelvezető rendszerre, mivel nagy áramsűrűségnél (1A / cm2-ig) a rendszer önmelegszik. A hűtéshez speciális csatornákon keresztül az üzemanyagcellában cirkuláló vizet használnak, kis kapacitások esetén levegőt fújnak.

Tehát az elektrokémiai generátor korszerű rendszere maga az üzemanyagcella-elem mellett sokféle kiegészítő eszközzel „növekszik”, mint például: szivattyúk, kompresszor a levegőellátáshoz, hidrogénbevezetés, gáznedvesítő, hűtőegység, gázszivárgás-szabályozó rendszer, DC-váltóátalakító, vezérlőprocesszor stb. Mindez ahhoz a tényhez vezet, hogy az üzemanyagcellás rendszer költsége 2004-2005-ben 2-3 ezer dollár / kW volt. A szakértők szerint az üzemanyagcellák szállításra és helyhez kötött erőművekben elérhetőek lesznek, 50–100 USD / kW áron.

Az üzemanyagcellák mindennapi bevezetéséhez az olcsóbb alkatrészekkel együtt új eredeti ötletekre és megközelítésekre van szükség. Különösen a nagy remények kapcsolódnak a nanoanyagok és a nanotechnológia felhasználásához. Például a közelmúltban több vállalat bejelentette szuperhatékony katalizátorok létrehozását, különös tekintettel egy különféle fémek nanorészecskéinek csoportjaira épülő oxigén elektródra. Ezenkívül beszámoltak olyan membránmentes üzemanyagcellák tervezéséről, amelyekben folyékony üzemanyagot (például metanolt) szállítanak az üzemanyagcellához oxidálószerrel együtt.Érdekes koncepció a bioüzemanyag-elemek kifejlesztett koncepciója, amely szennyezett vizekben működik, oxidálószerként oldott oxigént és üzemanyagként szerves szennyeződéseket fogyaszt.

A szakértők szerint az üzemanyagcellák az elkövetkező években belépnek a tömegpiacra. Valójában a fejlesztők egymás után meghódítják a műszaki problémákat, beszámolnak a sikerről és bemutatják az üzemanyagcellák prototípusait. A Toshiba például bemutatta a metanol üzemanyagcellájának kész prototípusát. 22x56x4,5 mm méretű és 100mW nagyságrendű energiát ad. Egy kocka feltöltése 2 kocka koncentrált (99,5%) metanolban elegendő az MP3 lejátszó 20 órás munkájához. A Toshiba kiadta egy kereskedelmi üzemanyagcellát a mobiltelefonok táplálására. Ugyanez a Toshiba megmutatta a 275x75x40 mm méretű laptopok tápellátására szolgáló elemet, amely lehetővé teszi a számítógép számára, hogy 5 órán keresztül egyetlen üzemanyag-feltöltéssel működjön.

Egy másik japán cég, a Fujitsu, nem messze a Toshibától. 2004-ben bevezetett egy elemet, amely a metanol 30% -os vizes oldatára hat. Ez az üzemanyagcella egy üzemanyag-feltöltés mellett 300 ml-ben 10 órán át működött, és ezzel egyidejűleg 15 watt teljesítményt adott ki.

A Casio üzemanyagcellát fejlesztett ki, amelyben a metanolt először miniatűr üzemanyag-átalakítóban gáznemű H2 és CO2 keveréké dolgozzák fel, majd táplálják az üzemanyagcellába. A demonstráció során a Casio prototípus 20 órán keresztül táplált a laptop számára.

A Samsung is az üzemanyagcellák terén szerepelt - 2004-ben demonstrálta a 12 W-os prototípusát, amelyet laptopok táplálására terveztek. Általában a Samsung várhatóan üzemanyagcellákat fog használni, elsősorban a negyedik generációs okostelefonokban.

Azt kell mondanom, hogy a japán vállalatok általában nagyon alaposan megközelítették az üzemanyagcellák fejlesztését. 2003-ban olyan vállalatok, mint a Canon, a Casio, a Fujitsu, a Hitachi, a Sanyo, a Sharp, a Sony és a Toshiba egyesítették erőiket, hogy közös üzemanyagcellás szabványt dolgozzanak ki a laptopok, mobiltelefonok, PDA-k és más elektronikus eszközök számára. Az amerikai cégek, amelyek ezen a piacon is nagyszámú, főként a katonasággal kötött szerződések alapján működnek, és üzemanyagcellákat fejlesztenek az amerikai katonák villamosítására.

A németek nem maradnak messze - a Smart Fuel Cell üzemanyagcellákat értékesít mobil iroda működtetése érdekében. A készüléket Smart Fuel Cell C25 néven hívják, mérete 150x112x65 mm, és akár 140 watt-órát képes előállítani egyetlen benzinkútnál. Ez elég ahhoz, hogy kb. 7 órán keresztül táplálja a laptopot. Ezután a patron kicserélhető és folytathatja a munkát. A metanolos patron mérete 99x63x27 mm, súlya 150 g. Maga a rendszer súlya 1,1 kg, tehát nem nevezhetjük abszolút hordozhatónak, de mégis komplett és kényelmes eszköz. A társaság egy üzemanyag-modult is fejleszt a professzionális videokamerák táplálására.

Általában az üzemanyagcellák majdnem beléptek a mobil elektronika piacára. A gyártóknak a tömegtermelés megkezdése előtt kell megoldaniuk a legújabb műszaki problémákat.

Először is meg kell oldani az üzemanyagcellák miniatürizálásának kérdését. Végül is, minél kisebb az üzemanyagcella, annál kevesebb energiát képes kiadni - tehát folyamatosan fejlesztenek új katalizátorokat és elektródokat, amelyek kis méretben lehetővé teszik a munkafelület maximalizálását. Itt, éppen időben, a nanotechnológia és a nanoanyagok (például a nanocsövek) területén a legújabb fejlemények nagyon hasznosak. Az elemek csővezetékének (üzemanyag- és vízszivattyúk, hűtés és üzemanyag-átalakító rendszerek) miniatürizálására egyre inkább a mikroelektromechanikai előrelépéseket alkalmazzák.

A második fontos probléma, amelyet kezelni kell, az ár. Valójában a legtöbb üzemanyagcellában katalizátorként nagyon drága platint használnak.Néhány gyártó megint megpróbálja kiaknázni a már fejlett szilícium technológiát.

Ami az üzemanyagcellák használatának más területeit illeti, az üzemanyagcellák ott már jól megalapozottak, noha ezek még nem váltak főként az energiaágazatban vagy a közlekedésben. Sok autógyártó már bemutatta üzemanyagcellás hajtóműveit. A világ számos városában üzemanyagcellás buszok közlekednek. A kanadai Ballard Power Systems 1–230 kW teljesítményű helyhez kötött generátorok gyártásával rendelkezik. Ugyanakkor a kilowattgenerátorokat úgy tervezték, hogy azonnal biztosítsanak egy lakást villamos energiával, hővel és meleg vízzel.

Lásd még: Alternatív energiaforrások