Pile de combustie

Acest articol a fost tradus prin intermediul Google translate

Pile de combustie Pilele de combustie sunt surse chimice de energie. Ele oferă transformarea directă a energiei de combustibil în energie electrică trece slab, ajungând cu pierderi grele, procesul de ardere. Acest dispozitiv electrochimic, ca urmare a extrem de eficient "la rece" ardere de combustibil generează direct energie electrică.

Biochimisti au constatat că biologice de celule de combustibil pe bază de hidrogen-oxigen "montate" în fiecare celulă vie (a se vedea capitolul 2).

Sursă de hidrogen in organism serveşte ca hrană - grăsimi, proteine şi carbohidraţi. În stomac, intestin, celule, acesta va fi extins până la urmă monomeri, care, la rândul său, după o serie de reacţii chimice pe bază de hidrogen randamentul ataşat la molecula la gazdă.

Oxigenul din aer intră în sânge prin plămâni, este combinat cu hemoglobina şi se desfăşoară la toate tesuturile corpului. Procesul de Amestec de hidrogen cu oxigen este baza bioenergetic al organismului. Aici, în condiţii de uşoară (la temperatura camerei, presiune normală, apa), energia chimică cu randament ridicat, se transformă în căldură, insecte mecanice (mişcarea musculare), electricitate (torpila), lumina (emiţătoare de lumină).

Omul în care a repetat un dispozitiv creat de natura pentru energie. În acelaşi timp, acest fapt arată promiţătoare direcţii. Toate procesele în natură sunt foarte raţionale, astfel încât măsurile necesare pentru utilizarea efectivă de celule de combustibil oferă speranţă pentru viitor al energiei.

Deschiderea în 1838, pe bază de hidrogen-oxigen din celule de combustibil aparţine engleză stiinta William Grove. Studiu descompunerea apei în hidrogen şi oxigen, el a găsit un efect secundar - electrolizor făcut curent electric.

Ce este de ardere într-o celulă de combustibil?
Combustibilii fosili (cărbune, petrol şi gaze) este compus în principal din carbon. Ardere de atomi de combustibil pierde electroni şi atomi de oxigen achiziţionarea lor. De la oxidarea carbonului şi atomi de oxigen sunt unite în produsele de ardere - molecule de dioxid de carbon. Acest proces este energic: atomi şi molecule implicate în arsură, obţine viteze mari, iar acest lucru duce la o creştere a temperaturii. Ei încep să emită lumină - o flacără apare.

O reacţie chimică de ardere de carbon este:

C + O2 = CO2 + caldura

În procesul de ardere a energiei chimice, este convertită în energie termică prin schimbul de electroni între atomi de combustibil şi oxidant. Acest schimb are loc la întâmplare.

De ardere - schimbul de electroni între atomi, şi curentul electric - Libera regizat de electroni. În cazul în care cursul de reacţii chimice cauza electroni face munca, temperatura procesului de ardere va cădea. In pilele de combustie, electronii sunt eliminate din Reactive pe un singur electrod, să renunţe la energia lor sub forma de curent electric şi anexat la Reactive pe de altă parte.

Baza oricărei lovit - doi electrozi conectate printr-un electrolit. TE constă dintr-un anod, catod şi electrolitice (a se vedea capitolul 2).. La anod este oxidat, adică, dă electroni, reductant (combustibil CO sau H2), electronii gratuit de la anod intre în circuitul exterior, şi ionii pozitivi sunt ţinute la limita de anod-electrolitice (CO +, H +). De la celălalt capăt al lanţului, electronii sunt potrivite pentru catod, care este reacţie de reducere (de electroni de aderare oxidant, O2-). Apoi ionii de transport oxidant a electrolitului la catod.

În celule de combustibil, precum şi a reunit cele trei faze ale sistemelor fizice şi chimice:

gaz (combustibil, oxidant);
electrolitice (dirijor Ion);
electrod de metal (dirijor de electroni).
În celule de combustibil este convertitenergia e de o reacţie redox în energie electrică, precum şi procesele de oxidare şi de reducere a spaţial separate de un electrolit. Electrozii şi electrolitice în reacţia nu sunt implicate, dar în structuri reale asupra contaminanţi timp de combustibil. combustie electrochimice poate trece la temperaturi moderate şi practic nici pierderi. Fig. p087 arată o situaţie în care FC primeşte un amestec de gaze (CO şi H2), adică este posibil să ardă de combustibili gazoşi (a se vedea capitolul 1).. Astfel, TE este "omnivor".

Complică utilizarea de celule de combustibil este că de combustibil lor este necesară pentru a "pregăti". Pentru a obţine celule de combustibil pe bază de hidrogen, prin conversia de combustibili fosili sau de gazificare a cărbunelui. Prin urmare, schema bloc pentru putere ET decât celulele de combustibil baterii, invertor DC-AC (a se vedea capitolul 3). Şi echipament auxiliar include un bloc de producţie de hidrogen.

Două direcţii de dezvoltare a celulelor de combustibil

Există două TE domeniul de aplicare: energie autonome şi mare.

Pentru utilizare offline sunt principalele caracteristici specifice şi uşurinţa de operare. Costul energiei nu este indicatorul principal.

Pentru o eficienţă mai multă energie este un factor crucial. În plus, instalaţia trebuie să fie durabil, liber din materiale scumpe şi utilizarea combustibililor fosili cu pregătire minimă.

Cel mai mare beneficiu promite a se utiliza celule de combustibil in masina. Aici, ca nicăieri altundeva, va afecta TE compact. Cu perceperea directă de energie electrică de la economia de combustibil din ultimele în ordinea de 50%.

Ideea de a folosi celule de combustibil în producţia de energie a fost formulat de stiinta german W. Oswald în 1894. Mai târziu, a dezvoltat ideea de a crea un surse eficiente autonomă de energie din celule de combustibil.

După aceea s-au făcut multe încercări pentru a utilizării cărbunelui ca substanţă activă în pile de combustie. În 30-e cercetător german Bauer a creat un prototip de laborator celule de combustibil cu electrolit solid pentru oxidare anodica directă a cărbunelui. În acelaşi timp, a studiat celulele de combustibil de oxigen-hidrogen.

În 1958 în Anglia, Bacon a creat primul capacitatea de oxigen pe bază de hidrogen a plantelor de 5 kW. Dar a fost greoaie ca urmare a utilizării de gaze de înaltă presiune (2 ... 4 MPa).

Din 1955, SUA K. Kordesh dezvoltat de temperatură scăzută de oxigen-hidrogen celule de combustibil. Ei au folosit electrozi de carbon cu catalizatori de platina. În Germania, E. Yust lucrat la catalizatori neplatinovyh creaţie.

După 1960, au fost create de demonstraţie şi mostre promoţionale. Prima aplicaţie practică a găsit în celule de combustibil vehicule spaţiale "Apollo". Ei au fost mari instalatii de puterea de a furniza instrumentele de la bord şi să furnizeze astronauţi cu apă şi căldură.

Principalele domenii de sisteme autonome cu FC au fost militare şi navale aplicaţii. La sfârşitul anilor 60-e cantitatea de cercetare pe celule de combustibil a scăzut, iar dupa 80 a crescut din nou în ceea ce priveşte producţia de energie.

Firma a dezvoltat VARTA TE folosind electrozi bilaterale gazodifuzionnyh. Electrozii de acest tip se numeşte "Janus". Firma Siemens a dezvoltat electrozi cu putere specifice la 90 W / kg. În SUA, lucru pe elementele de oxigen-hidrogen deţine Unite Technology Corp

Într-o mare de energie este foarte promiţătoare aplicarea de celule de combustibil de stocare a energiei la scară largă, de exemplu, pe bază de hidrogen (a se vedea § 1).. Sursele de energie regenerabile (energie solară şi eoliană) diferă de dispersie (a se vedea capitolul 4).. Utilizarea lor majore, fără de care viitorul nu poate face, este imposibilă fără baterii puternice stoca energie într-o formă sau alta.

Problema de acumulare a relevanţă astăzi: fluctuaţii zilnice şi săptămânale în sarcina reduce semnificativ eficienţa acestora şi necesită m aşa-numiteleanevrennyh capacitate. O alternativă de energie stocarea electrochimica - celule de combustibil, combinată cu electrolyzers şi rezervor de gaz *.

* Gaze [Gasholder + Eng. Titularul] titularul - depozit pentru cantităţi mari de gaz.

Prima generaţie de celule de combustibil

Cea mai mare perfecţiune a ajuns generaţie tehnologică mediu-TE în primul rând, care lucrează la 200 ... 230 ° C cu combustibili lichizi, gaze naturale sau pe bază de hidrogen la un *. tehnice Electrolit în ele este acidul fosforic, care umple de carbon poros matrice. Electrozi de carbon şi de catalizator este de platină (Platinum este folosit în cantităţi de mai multe grame per kilowatt de capacitate).

* Hidrogen tehnic - un produs de conversie a combustibililor fosili care conţin un adaos mic de monoxid de carbon.

Un astfel de putere a fost pusă în funcţiune în California, în 1991. Se compune din panouri de optsprezece greutate 18 tone fiecare, şi plasate în coajă, cu un diametru un pic mai mult de 2 m şi o înălţime de procedură aproximativ 5 m. gândit pentru înlocuirea bateriei folosind construcţia cadrului se deplasează pe şine.

Două staţii de putere în FCS SUA în Japonia. Primul a fost lansat la începutul anului 1983. Specificaţiile de performanţă sunt în concordanţă cu cele calculate. Ea a lucrat cu o sarcină de 25 până la 80% din fata. Eficienţa a ajuns la 30 ... 37% - este aproape de staţia de moderne de mare putere. Timp de la lansarea sa de la o stare rece - de la 4 h 10 min, iar durata de schimbare de putere de la zero la completa este doar 15 secunde..

Acum, în diferite părţi ale Statelor Unite se confruntă cu o încălzire urbană mici de plante, cu o capacitate de 40 kW, cu o utilizare de combustibil de aproximativ 80%. Ele pot de căldură apă la 130 ° C şi plasate în camere de rufe, complexe sportive, la punctele de contact, etc Aproximativ o sută de unităţi au lucrat deja un total de sute de mii de ore. Plante ecologice prietenos puterea de a permite celulelor de combustibil plasarea lor în oraşe.

Prima statie de carburanti din New York, capacitate de 4,5 MW, a ocupat teritoriul de 1,3 ha. Acum, pentru noi staţii cu o capacitate de două ori şi jumătate din spaţiul de măsurare necesare 30x60 m. construi mai multe centrale electrice de demonstraţie cu o capacitate de 11 MW. Uimi perioadei de construcţie (7 luni) şi zona (30h60 m), ocupate de staţie de putere. Viata de proiectare a unor noi centrale electrice - 30 de ani.

Şi a treia din a doua generaţie de celule de combustibil

Cele mai bune caracteristici au fost proiectate de unităţi modulare de 5 MW de celule de combustibil mediu de temperatură cu a doua generaţie. Acestea funcţionează la temperaturi de 650 ... 700 ° C. Aceste anozi sunt fabricate din particule sinterizate de nichel şi crom, catozi - aluminiu sinterizate şi oxidat, iar electrolitul este un amestec topit de carbonat de litiu şi potasiu. Febra ajuta rezolve doua probleme majore electrochimice:

a reduce "otravlyaemost" catalizator cu monoxid de carbon;
îmbunătăţească procesul de restaurare a oxidant la catod.
Chiar mai bine ar fi celulele de combustibil la temperaturi înalte sunt a treia generatie cu electrolit de oxid de solide (mai ales dioxid de zirconiu). temperatura de funcţionare - până la 1000 ° C. Eficienţa de plante de putere cu celule de combustibil este aproape de 50%. Aici, ca un combustibil adecvat şi solid de produse de gazeificare a cărbunelui, cu un conţinut ridicat de monoxid de carbon. Este la fel de important ca căldura reziduală de setări la temperaturi înalte pot fi utilizate pentru a produce abur pentru propulsia generatoare turbinei.

Firma este angajată Vestingaus celule de combustibil pe oxizi solizi din 1958. Ea este în curs de dezvoltare o centrală 25 ... 200 kW, care pot fi utilizate de combustibili gazoşi, de la cărbune. Pregatiti-va pentru testarea instalaţii experimentale cu o capacitate de megawaţi mai multe. O alta firma americana de Engelgurd modele de combustibilelementele lui de putere de 50 kW de operare pe metanol cu acid fosforic ca electrolit.

În crearea de celule de combustibil includ mai multe companii din întreaga lume. American Unite Tehnologie si Toshiba au format o societate japoneză, Internaţional pilele de combustie. În Europa, celule de combustibil sunt angajate în cadrul consorţiului belgiano-olandez Elenko, западногерманская firma Siemens, italian Fiat, britanic Jonson Metju.

Victor LAVRUS.