kategória: Najlepšie články » Zaujímavé elektrické správy
Počet zobrazení: 51203
Komentáre k článku: 7
Čo sú palivové články
Mobilná elektronika sa každý rok, ak nie mesiac, stáva dostupnejšou a rozšírenou. Tu máte notebooky a PDA a digitálne fotoaparáty a mobilné telefóny a veľa rôznych druhov užitočných a nie takých zariadení. A všetky tieto zariadenia neustále získavajú nové funkcie, výkonnejšie procesory, veľké farebné obrazovky, bezdrôtovú komunikáciu a zároveň zmenšujú veľkosť. Na rozdiel od polovodičových technológií však energetické technológie všetkého tohto mobilného zväzu nepokračujú.
Konvenčné nabíjateľné batérie a batérie zjavne nepostačujú na to, aby zabezpečili najnovšie pokroky v elektronickom priemysle na značné množstvo času. A bez spoľahlivých a priestranných batérií sa stratí celý zmysel pre mobilitu a bezdrôtové pripojenie. Počítačový priemysel teda na tomto probléme pracuje čoraz aktívnejšie alternatívne zdroje energie, A najsľubnejší je dnes smer palivové články.
Základný princíp fungovania palivových článkov objavil britský vedec Sir William Grove v roku 1839. Je známy ako otec palivového článku. William Grove vyrábal elektrinu zmenou elektrolýza vody na extrahovanie vodíka a kyslíka. Po odpojení batérie od elektrolytického článku bol Grove prekvapený zistením, že elektródy začali absorbovať uvoľnený plyn a generovať prúd. Otvorenie procesu elektrochemické spaľovanie vodíka za studena udalosť v energetickom sektore sa stala významnou a do budúcnosti zohrávali významnú úlohu pri vývoji teoretických základov a praktickej implementácii palivových článkov takí dobre známi elektrochemici ako Ostwald a Nernst a predvídali im veľkú budúcnosť.
sám pojem „palivový článok“ (palivový článok) objavili sa neskôr - navrhli ju v roku 1889 Ludwig Mond a Charles Langer, ktorí sa pokúsili vytvoriť zariadenie na výrobu elektriny zo vzduchu a uhlia.
Počas normálneho spaľovania kyslík oxiduje fosílne palivá a chemická energia paliva sa neúčinne premieňa na tepelnú energiu. Ukázalo sa však, že je možné uskutočniť oxidačnú reakciu, napríklad vodík s kyslíkom, v elektrolytickom médiu a v prítomnosti elektród na získanie elektrického prúdu. Napríklad privádzaním vodíka do elektródy umiestnenej v alkalickom prostredí získame elektróny:
2H2 + 4OH- → 4H20 + 4e
ktorý prechádza cez vonkajší obvod a vedie k opačnej elektróde, do ktorej vstupuje kyslík a kde prebieha reakcia: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Je vidieť, že výsledná reakcia 2H2 + O2 → H2O je rovnaká ako pri normálnom spaľovaní, ale v palivovom článku alebo inak v elektrochemický generátor, ukazuje elektrický prúd s vysokou účinnosťou a čiastočne teplo. Všimnite si, že uhlie, oxid uhoľnatý, alkoholy, hydrazín, ďalšie organické látky sa môžu tiež používať ako palivo v palivových článkoch a vzduch, peroxid vodíka, chlór, bróm, kyselina dusičná atď. sa môžu použiť ako oxidačné činidlá.
Vývoj palivových článkov rázne pokračoval v zahraničí, v Rusku a ďalej v ZSSR. Medzi vedcov, ktorí významne prispeli k štúdiu palivových článkov, uvádzame V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. V polovici minulého storočia sa začal nový útok na problémy s palivovými článkami. Čiastočne je to spôsobené vznikom nových nápadov, materiálov a technológií v dôsledku obranného výskumu.
Jedným z vedcov, ktorý urobil významný krok vo vývoji palivových článkov, bol P. M. Spiridonov. Vodíkovo-kyslíkové prvky Spiridonova poskytol prúdovú hustotu 30 mA / cm2, čo sa za ten čas považovalo za veľký úspech.V štyridsiatych rokoch O. Davtyan vytvoril zariadenie na elektrochemické spaľovanie generátorového plynu získaného splynovaním uhlia. Za každý kubický meter objemu prvku dostal Davtyan výkon 5 kW.
To bolo prvý palivový článok na elektrolyt, Mala vysokú účinnosť, ale postupom času sa elektrolyt stal nepoužiteľným a musel sa zmeniť. Následne Davtyan koncom päťdesiatych rokov vytvoril výkonnú inštaláciu, ktorá riadi traktor. V tých istých rokoch anglický inžinier T. Bacon navrhol a skonštruoval batériu s palivovými článkami s celkovou kapacitou 6 kW a účinnosťou 80%, pracujúcimi na čistom vodíku a kyslíku, ale pomer energie k hmotnosti batérie bol príliš malý - takéto prvky boli nevhodné na praktické použitie a tiež drahí.
V nasledujúcich rokoch čas samotárov prešiel. Tvorcovia kozmických lodí sa začali zaujímať o palivové články. Od polovice 60. rokov sa do výskumu palivových článkov investovali milióny dolárov. Práca tisícov vedcov a technikov umožnila dosiahnuť novú úroveň av roku 1965. palivové články boli testované v Spojených štátoch na vesmírnej lodi Gemini 5 a neskôr na lodiach Apollo na lety na Mesiac a v rámci programu Shuttle.
V ZSSR sa palivové články vyvíjali v NPO Kvant, a to aj na použitie vo vesmíre. V týchto rokoch sa už objavili nové materiály - tuhé polymérne elektrolyty na báze iónomeničových membrán, nové typy katalyzátorov, elektródy. Hustota pracovného prúdu bola nízka - v rozmedzí 100-200 mA / cm2 a obsah platiny na elektródach bol niekoľko g / cm2. S životnosťou, stabilitou a bezpečnosťou súviselo veľa problémov.
Ďalšia fáza rýchleho vývoja palivových článkov sa začala v 90. rokoch. minulého storočia a pokračuje teraz. Je to spôsobené potrebou nových účinných zdrojov energie na jednej strane v dôsledku globálneho environmentálneho problému zvyšujúcich sa emisií skleníkových plynov zo spaľovania fosílnych palív a na druhej strane v dôsledku vyčerpania týchto palív. Pretože voda je konečným produktom spaľovania vodíka v palivovom článku, považuje sa z hľadiska vplyvu na životné prostredie za najčistejšiu. Hlavným problémom je len nájsť efektívny a lacný spôsob výroby vodíka.
Miliarda finančných investícií do vývoja palivových článkov a vodíkových generátorov by mala viesť k technologickému prielomu a ich využitie v každodennom živote by sa malo stať skutočnosťou: v bunkách mobilných telefónov, v automobiloch, v elektrárňach. Automobilové giganty ako Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors už predvádzajú autá a autobusy jazdiace na palivových článkoch s výkonom 50 kW. Vyvinulo sa niekoľko spoločností Predvádzače elektrolytov na tuhé palivá s palivovými článkami do 500 kW, Napriek výraznému prelomu pri zlepšovaní výkonnosti palivových článkov je však stále potrebné vyriešiť mnoho problémov týkajúcich sa ich nákladov, spoľahlivosti a bezpečnosti.
V palivovom článku sa na rozdiel od batérií a akumulátorov dodáva palivo aj oxidačné činidlo zvonka. Palivový článok je v reakcii iba prostredníkom a za ideálnych podmienok by mohol fungovať takmer večne. Krása tejto technológie je, že v skutočnosti sa v prvku horí palivo a uvoľnená energia sa priamo premieňa na elektrinu, Pri priamom spaľovaní paliva sa oxiduje kyslíkom a teplo vznikajúce pri tomto procese sa používa na dokončenie užitočnej práce.
V palivovom článku, rovnako ako v batériách, sú reakcie oxidácie paliva a redukcie kyslíka priestorovo oddelené a proces „spaľovania“ pokračuje iba vtedy, ak článok odovzdáva prúd zaťaženiu. Je to ako naftový generátor, iba bez naftového a generátora, A tiež bez dymu, hluku, prehrievania as oveľa vyššou účinnosťou. Toto je vysvetlené skutočnosťou, že na jednej strane neexistujú žiadne medziľahlé mechanické zariadenia, a na druhej strane palivový článok nie je tepelným motorom, a preto sa neriadi Carnotovým zákonom (to znamená, že jeho účinnosť nie je určená rozdielom teploty).
Kyslík sa používa ako oxidačné činidlo v palivových článkoch. Navyše, pretože kyslík je vo vzduchu dosť dosť, netreba sa obávať o dodávku oxidačného činidla. Pokiaľ ide o palivo, ide o vodík. Reakcia prebieha v palivovom článku:
2H2 + O2 → 2H2O + elektrina + teplo.
Výsledkom je užitočná energia a vodná para. Najjednoduchší v jeho dizajne je palivový článok na výmenu membránových protónov (pozri obrázok 1). Funguje to nasledovne: vodík vstupujúci do prvku sa rozkladá pôsobením katalyzátora na elektróny a pozitívne nabité ióny vodíka H +. Potom vstúpi do hry špeciálna membrána, ktorá tu pôsobí ako elektrolyt v konvenčnej batérii. Vďaka svojmu chemickému zloženiu prechádza protóny cez seba, ale zachytáva elektróny. Elektróny akumulované na anóde tak vytvárajú nadmerný záporný náboj a vodíkové ióny vytvárajú kladný náboj na katóde (napätie na prvku je asi 1 V).
Na vytvorenie vysokej energie je palivový článok zostavený z množstva článkov. Ak do náplne vložíte prvok, elektróny ním prechádzajú do katódy, vytvárajú prúd a dokončujú proces oxidácie vodíka kyslíkom. Ako katalyzátor v takýchto palivových článkoch sa zvyčajne používajú platinové mikročastice uložené na uhlíkových vláknach. Taký katalyzátor prechádza svojou štruktúrou dobre plyn a elektrinu. Membrána je obvykle vyrobená z polyméru Nafion obsahujúceho síru. Hrúbka membrány sa rovná desatinám milimetra. Počas reakcie sa samozrejme uvoľňuje aj teplo, ale nie je to tak, aby sa prevádzková teplota udržiavala v rozmedzí 40 - 80 ° C.
Obr. Princíp činnosti palivového článku
Existujú aj iné typy palivových článkov, ktoré sa líšia hlavne použitým typom elektrolytu. Takmer všetky vyžadujú vodík ako palivo, takže vyvstáva logická otázka: kde ho získať. Samozrejme by bolo možné použiť stlačený vodík z fliaš, ale potom sú okamžite spojené s prepravou a skladovaním tohto vysoko horľavého plynu pod vysokým tlakom. Samozrejme, môžete použiť vodík vo viazanej forme ako v batériách s hydridom kovu. Úlohou však zostáva ťažba a preprava, pretože infraštruktúra vodíkových čerpacích staníc neexistuje.
Existuje však aj riešenie - ako zdroj vodíka sa môže použiť kvapalné uhľovodíkové palivo. Napríklad etylalkohol alebo metylalkohol. Je pravda, že tu už je potrebné špeciálne prídavné zariadenie - konvertor paliva, ktorý premieňa alkoholy na zmes plynného H2 a CO2 pri vysokej teplote (pre metanol to bude niekde okolo 240 ° C). Ale v tomto prípade je už ťažšie premýšľať o prenosnosti - takéto zariadenia sa dobre používajú ako stacionárne alebo alternátory automobilovAle pre kompaktné mobilné zariadenie potrebujete niečo menej ťažkopádne.
A tu prichádzame k tomuto zariadeniu, ktorého vývoj sa týka takmer všetkých najväčších výrobcov elektroniky strašnou silou - palivový článok z metanolu (obrázok 2).
Obr. Princíp činnosti palivového článku na metanol
Základným rozdielom medzi vodíkovými a metanolovými plnivami je použitý katalyzátor. Katalyzátor v palivovom článku s metanolom umožňuje odstránenie protónov priamo z molekuly alkoholu.Tým sa rieši problém s palivom - metylalkohol sa hromadne vyrába v chemickom priemysle, je ľahké ho skladovať a prepravovať a nabíjať metanolový palivový článok, stačí vymeniť náplň za palivo. Je pravda, že existuje jedna významná mínus - metanol je toxický. Okrem toho je účinnosť palivového článku s metanolom podstatne nižšia ako účinnosť vodíkového článku.
Obr. 3. Metanolový palivový článok
Najlákavejšou možnosťou je použiť ako palivo etylalkohol, pretože výroba a distribúcia alkoholických nápojov akéhokoľvek zloženia a sily je na celom svete dobre zavedená. Účinnosť etanolových palivových článkov je však, žiaľ, dokonca nižšia ako účinnosť metanolu.
Ako už bolo uvedené v priebehu mnohých rokov vývoja v oblasti palivových článkov, boli vybudované rôzne typy palivových článkov. Palivové články sú klasifikované podľa elektrolytu a typu paliva.
1. Tuhý polymérny elektrolyt vodíka a kyslíka.
2. Palivové články z tuhého polymérneho metanolu.
3. Prvky alkalického elektrolytu.
4. Palivové články kyseliny fosforečnej.
5. Palivové články na roztavených uhličitanoch.
6. Palivové články na tuhé oxidy.
V ideálnom prípade je účinnosť palivových článkov veľmi vysoká, ale v skutočných podmienkach sú straty spojené s nerovnovážnymi procesmi, ako sú ohmické straty spôsobené vodivosťou elektrolytu a elektród, aktivácia a polarizácia koncentrácie, difúzne straty. V dôsledku toho sa časť energie generovanej v palivových článkoch prevádza na teplo. Úsilie odborníkov je zamerané na zníženie týchto strát.
Hlavným zdrojom ohmických strát, ako aj dôvodom vysokej ceny palivových článkov, sú perfluórované sulfokačné iónomeničové membrány. Teraz hľadáme alternatívne, lacnejšie protónové vodivé polyméry. Pretože vodivosť týchto membrán (tuhých elektrolytov) dosahuje prijateľnú hodnotu (10 Ohm / cm) iba v prítomnosti vody, musia byť plyny dodávané do palivového článku navlhčené v špeciálnom zariadení, čo tiež systém zvyšuje. V katalytických plynových difúznych elektródach sa používa hlavne platina a niektoré ďalšie vzácne kovy, zatiaľ sa nenašla žiadna náhrada. Aj keď obsah platiny v palivových článkoch je niekoľko mg / cm2, pre veľké batérie dosahuje množstvo desiatok gramov.
Pri navrhovaní palivových článkov sa venuje veľká pozornosť systému odvádzania tepla, pretože pri vysokých prúdových hustotách (do 1A / cm2) sa systém samovoľne zahrieva. Na chladenie sa používa voda cirkulujúca v palivovom článku špeciálnymi kanálmi a pri nízkych kapacitách sa používa fúkanie vzduchu.
Takže moderný systém elektrochemického generátora okrem samotnej batérie palivových článkov „rastie“ s mnohými pomocnými zariadeniami, ako sú: čerpadlá, kompresor na prívod vzduchu, prívod vodíka, zvlhčovač plynu, chladiaca jednotka, systém na kontrolu úniku plynu, menič DC / AC, riadiaci procesor To všetko vedie k tomu, že náklady na systém palivových článkov v rokoch 2004 - 2005 boli 2 - 3 000 $ / kW. Podľa odborníkov budú palivové články k dispozícii na použitie v doprave a v stacionárnych elektrárňach za cenu 50 - 100 $ / kW.
Na zavedenie palivových článkov do každodenného života spolu s lacnejšími komponentmi musíte očakávať nové originálne nápady a prístupy. Najmä veľké nádeje sa spájajú s používaním nanomateriálov a nanotechnológií. Napríklad nedávno niekoľko spoločností oznámilo vytvorenie superúčinných katalyzátorov, najmä pre kyslíkovú elektródu založenú na zoskupeniach nanočastíc rôznych kovov. Ďalej boli publikované správy o konštrukcii bez membránových palivových článkov, v ktorých je kvapalné palivo (napríklad metanol) dodávané do palivového článku spolu s oxidačným činidlom.Zaujímavým konceptom je tiež rozvinutý koncept prvkov biopalív, ktoré pôsobia v znečistených vodách a spotrebúvajú rozpustený kyslík ako oxidačné činidlo a organické nečistoty ako palivo.
Podľa odborníkov vstúpia palivové články na masový trh v nasledujúcich rokoch. Vývojári si postupne vymieňajú technické problémy, podávajú správy o úspechoch a prezentujú prototypy palivových článkov. Napríklad spoločnosť Toshiba preukázala hotový prototyp palivového článku s metanolom. Má veľkosť 22x56x4,5 mm a dáva výkon rádovo 100mW. Jedno tankovanie v 2 kockách koncentrovaného (99,5%) metanolu stačí na 20 hodín práce prehrávača MP3. Spoločnosť Toshiba vydala komerčný palivový článok na napájanie mobilných telefónov. Tá istá spoločnosť Toshiba opäť preukázala prvok pre napájanie prenosných počítačov s rozmermi 275 x 75 x 40 mm, čo umožňuje počítaču pracovať 5 hodín po jedinom doplnení paliva.
Ďalšia japonská spoločnosť Fujitsu nie je ďaleko za spoločnosťou Toshiba. V roku 2004 predstavila aj prvok pôsobiaci na 30% vodný roztok metanolu. Tento palivový článok pracoval pri jednom tankovaní v 300 ml počas 10 hodín a súčasne poskytoval výkon 15 wattov.
Casio vyvíja palivový článok, v ktorom je metanol najskôr spracovávaný na zmes plynného H2 a CO2 v miniatúrnom palivovom konvertore a potom privádzaný do palivového článku. Počas demonštrácie prototyp prototypu Casio poskytoval napájanie notebooku po dobu 20 hodín.
Spoločnosť Samsung bola známa aj v oblasti palivových článkov - v roku 2004 predstavila prototyp 12 W navrhnutý na napájanie notebooku. Spoločnosť Samsung všeobecne očakáva, že bude využívať palivové články, najmä v smartfónoch štvrtej generácie.
Musím povedať, že japonské spoločnosti sa vo všeobecnosti veľmi dôkladne priblížili k vývoju palivových článkov. V roku 2003 sa spoločnosti ako Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony a Toshiba spojili s cieľom vyvinúť spoločný štandard palivových článkov pre notebooky, mobilné telefóny, PDA a ďalšie elektronické zariadenia. Americké spoločnosti, ktoré sú na tomto trhu tiež početné, väčšinou pracujú na základe zmlúv s armádou a vyvíjajú palivové články pre elektrifikáciu amerických vojakov.
Nemci nie sú pozadu - Smart Fuel Cell predáva palivové články na pohon mobilnej kancelárie. Zariadenie sa nazýva Smart Fuel Cell C25, má rozmery 150 x 112 x 65 mm a dokáže na jednej čerpacej stanici vyprodukovať až 140 wattov-hodín. To stačí na napájanie prenosného počítača asi 7 hodín. Potom je možné kazetu vymeniť a môžete pokračovať v práci. Veľkosť náplne s metanolom je 99x63x27 mm a váži 150 g. Samotný systém váži 1,1 kg, takže ho nemôžete nazvať absolútne prenosným, ale stále je to kompletné a pohodlné zariadenie. Spoločnosť tiež vyvíja palivový modul pre napájanie profesionálnych videokamier.
Vo všeobecnosti palivové články takmer vstúpili na trh mobilnej elektroniky. Pred začatím hromadnej výroby majú výrobcovia možnosť vyriešiť najnovšie technické problémy.
Po prvé, je potrebné vyriešiť otázku miniaturizácie palivových článkov. Koniec koncov, čím menší je palivový článok, tým menej energie bude schopný rozdávať - neustále sa vyvíjajú nové katalyzátory a elektródy, ktoré umožňujú pri malých veľkostiach maximalizovať pracovnú plochu. Práve tu je veľmi užitočný najnovší vývoj v oblasti nanotechnológií a nanomateriálov (napríklad nanotrubíc). Opäť platí, že na miniaturizáciu potrubí prvkov (palivové a vodné čerpadlá, chladiace systémy a konverzie paliva) sa čoraz viac uplatňujú mikroelektromechanické pokroky.
Druhým dôležitým problémom, ktorý treba riešiť, je cena. V skutočnosti sa ako katalyzátor vo väčšine palivových článkov používa veľmi drahá platina.Niektorí výrobcovia sa opäť snažia čo najlepšie využiť už dobre rozvinutú kremíkovú technológiu.
Pokiaľ ide o iné oblasti použitia palivových článkov, palivové články sú už v tomto odvetví dobre zavedené, hoci sa ešte nestali hlavnými prúdmi v energetickom sektore alebo v doprave. Mnoho výrobcov automobilov už predstavilo svoje koncepčné vozidlá poháňané palivovými článkami. Vo viacerých mestách po celom svete jazdia autobusy na palivové články. Kanadský Ballard Power Systems vyrába rad stacionárnych generátorov v rozsahu od 1 do 250 kW. Generátory kilowattov sú zároveň navrhnuté tak, aby okamžite zásobovali jeden byt elektrinou, teplom a teplou vodou.
Pozri tiež: Alternatívne zdroje energie
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: