Despre una dintre cele mai promițătoare surse de energie alternative, Toyota Mirai cu motor hidrogen și protecția mediului
Celulele de combustibil sunt o metodă de conversie electrochimică a energiei combustibilului pe bază de hidrogen în energie electrică, iar singurul produs secundar al acestui proces este apa.
hidrogen combustibil utilizat în prezent de pile de combustie, de obicei obținute din aburul de reformare a metanului (adică, conversia hidrocarburilor cu abur și căldură în metan), cu toate că abordarea poate fi mai „verde“, de exemplu, electroliza apei cu ajutorul energiei solare.
Principalele componente ale celulei de combustie sunt:
- anod în care are loc oxidarea hidrogenului;
- catod, unde are loc recuperarea oxigenului;
- membrana electrolitică de polimer, prin care se efectuează transportul de ioni de protoni sau hidroxizi (în funcție de mediu) - nu trece hidrogen și oxigen;
- câmpurile de flux de oxigen și hidrogen, care sunt responsabile pentru livrarea acestor gaze către electrod.
Pentru a alimenta, de exemplu, o mașină, mai multe celule de combustie sunt colectate într-o baterie, iar cantitatea de energie furnizată de această baterie depinde de suprafața totală a electrozilor și de numărul de elemente din el. Energia din celula de combustie este generată după cum urmează: hidrogenul este oxidat la anod și electronii din acesta sunt direcționați către catod, unde este recuperat oxigenul. Electronii obținuți prin oxidarea hidrogenului la anod au un potențial chimic mai mare decât electronii care restabilește oxigenul la catod. Această diferență între potențialele chimice ale electronilor face posibilă extragerea energiei din celulele de combustie.
Istoria creației
Cercetările în domeniul celulelor de combustie au continuat, iar în anii 1940 F.T. Bacon a introdus o nouă componentă într-o celulă de combustie alcalină (un tip de celulă de combustie) - o membrană de schimb ionic pentru a facilita transportul ionilor de hidroxid.
Unul dintre cele mai cunoscute exemple istorice de utilizare a celulelor combustibile alcaline este utilizarea lor ca sursă principală de energie în timpul zborurilor spațiale în programul Apollo.
Alegerea NASA a căzut asupra lor datorită durabilității și stabilității tehnice. Au folosit o membrană de conducere a hidroxidului, care este superioară eficienței pentru sora sa de schimb de protoni.
Timp de aproape două secole, de când a fost creat primul prototip al celulei de combustie, au fost depuse multe eforturi pentru a le îmbunătăți. În general, energia finală primită de la celula de combustie depinde de cinetica reacției de oxidare-reducere, de rezistența internă a elementului și de transferul maselor gazelor și ionilor de reacție la componentele catalitice active. De-a lungul anilor, s-au făcut multe îmbunătățiri ale ideii originale, cum ar fi:
1) înlocuirea firelor de platină cu electrozi pe bază de carbon cu nanoparticule de platină; 2) invenția membranelor de înaltă conductivitate și selectivitate, cum ar fi Nafion, pentru a facilita transportul de ioni; 3) combinația unui strat catalitic, de exemplu nanoparticule de platină distribuite pe bază de carbon, cu membrane de schimb ionic, rezultând un bloc de membrană-electrod cu o rezistență internă minimă; 4) utilizarea și optimizarea câmpurilor de curgere pentru a furniza hidrogen și oxigen pe suprafața catalitică, în loc să le dilueze direct în soluție.
Aceste îmbunătățiri și în cele din urmă au făcut posibilă obținerea unei tehnologii care să fie suficient de eficientă pentru a fi utilizată în automobile precum Toyota Mirai.
Celule de combustie cu membrane hidroxi-benefice
La Universitatea din Delaware, se desfășoară cercetări privind dezvoltarea celulelor de combustie cu membranele hidroxi-benefice - HEMFC (celule de combustie cu membrană de schimb de hidroxid). Celulele de combustie cu membrane gidroksidobmennymi în schimb protonoobmennyh - PEMFCs (pile de combustie cu membrană cu schimb de protoni) - cu fața inferioară a uneia dintre cele mai mari probleme PEMFCs - problema stabilității catalizatorului, deoarece un număr mult mai mare de catalizatori pe bază de metale nobile este stabil în medii alcaline decât în acid. Stabilitatea catalizatorilor în soluțiile alcaline este mai mare datorită faptului că dizolvarea metalelor eliberează mai multă energie la un pH mai scăzut decât la un pH ridicat. Majoritatea lucrărilor din acest laborator sunt consacrate și dezvoltării unor noi catalizatori anodici și catodici pentru reacțiile de oxidare a hidrogenului și reducerea oxigenului pentru o accelerare și mai eficientă. În plus față de acest laborator, se dezvoltă noi membrane hidro-perturbatoare, deoarece conductivitatea și durabilitatea unor astfel de membrane trebuie încă îmbunătățite pentru a putea concura cu schimbul de protoni.
Căutați noi catalizatori
Motivul pierderilor cauzate de supratensiune în reacția de reducere a oxigenului este explicat prin raportul scării liniare între produsele intermediare ale acestei reacții. În mecanismul tradițional cu patru electroni al acestei reacții, oxigenul este restaurat succesiv, creând produsele intermediare - OOH *, O * și OH *, pentru a forma eventual apă (H2O) pe suprafața catalitică. Deoarece energiile de adsorbție a produselor intermediare ale unui anumit catalizator se corelează puternic unul cu altul, nu sa găsit încă un catalizator care, cel puțin teoretic, nu ar avea o pierdere de supratensiune. În ciuda faptului că rata acestei reacții este scăzută, înlocuirea mediului acid cu o soluție alcalină, ca de exemplu în HEMFC, nu o afectează în mod deosebit. Cu toate acestea, rata reacției de oxidare pe bază de hidrogen scade aproape dublu și acest fapt motivează cercetarea care vizează găsirea cauzei acestei scăderi și descoperirea de noi catalizatori.
Avantajele celulelor de combustie
Spre deosebire de combustibilii cu hidrocarburi, celulele de combustie sunt mai mult, dacă nu complet, sigure pentru mediu și nu produc gaze cu efect de seră ca urmare a activităților lor. În plus, combustibilul (hidrogenul) este în principiu regenerabil, deoarece poate fi obținut prin hidroliza apei. Astfel, celulele de combustie cu hidrogen vor promite în viitor o parte integrantă a procesului de producere a energiei, în care energia soarelui și a vântului este utilizată pentru producerea de combustibil hidrogen, care este apoi folosită într-o celulă de combustie pentru producția de apă. Astfel, ciclul se închide și nu este lăsată amprenta de carbon.
Spre deosebire de bateriile reîncărcabile, celulele de combustie au avantajul că nu au nevoie să fie reîncărcate - aceștia pot începe imediat să furnizeze energie de îndată ce este necesar. Adică, dacă sunt folosite, de exemplu, în domeniul vehiculelor, atunci nu vor exista aproape nici o schimbare din partea consumatorului. Spre deosebire de energia solară și energia eoliană, celulele de combustie pot produce energie în mod constant și mult mai puțin depind de condițiile externe. În schimb, energia geotermală este disponibilă numai în anumite zone geografice, în timp ce celulele de combustie din nou nu au o astfel de problemă.
Celulele de combustie cu hidrogen sunt una dintre cele mai promițătoare surse alternative de energie datorită portabilității și flexibilității în ceea ce privește scara.
Complexitatea depozitării de hidrogen
Pe lângă problemele legate de deficiențele membranelor și catalizatorilor actuali, alte dificultăți tehnice pentru celulele de combustie sunt asociate cu stocarea și transportul de combustibil pe bază de hidrogen. Hidrogenul are o densitate de energie foarte mică per unitate de volum (cantitatea de energie conținută într-un unitate de volum la o anumită temperatură și presiune), și, prin urmare, acesta trebuie să fie depozitate la o presiune foarte mare, astfel încât acesta poate fi utilizat în vehicule. În caz contrar, mărimea containerului pentru a stoca cantitatea necesară de combustibil va fi imposibilă. Din cauza acestor limitări de stocare a hidrogenului, s-au făcut încercări de a găsi modalități de producere a hidrogenului din altul decât forma sa gazoasă, cum ar fi, de exemplu, în celulele de combustie cu hidrură metalică. Cu toate acestea, utilizarea de către consumatori curentă a celulei de combustibil, cum ar fi Toyota Mirai, folosind hidrogen supercritic (hidrogen în condiții de temperatură mai mare de 33 K și o presiune mai mare de 13,3 atmosfere, adică peste valorile critice) și acum este opțiunea cea mai convenabilă.
Perspective ale regiunii
Datorită dificultăților tehnice existente și a problemelor de obținere a hidrogenului din apă utilizând energia solară în viitorul apropiat, cercetarea va fi cel mai probabil îndreptată în principal spre găsirea de surse alternative de hidrogen. O idee populară este utilizarea amoniacului (nitrură de hidrogen) direct într-o celulă de combustie în loc de hidrogen sau pentru a obține hidrogen din amoniac. Motivul pentru aceasta este amoniacul mai puțin pretențios pentru presiune, ceea ce face mai convenabil să se păstreze și să se miște. În plus, amoniacul este atractiv ca sursă de hidrogen, deoarece nu există carbon în el. Aceasta rezolvă problema otrăvirii catalizatorului datorită unei anumite cantități de CO în hidrogenul produs din metan.
În viitor, celulele de combustie se pot găsi pe scară largă în domeniul tehnologiilor vehiculelor și distribuției energiei distribuite, de exemplu, în zone rezidențiale. În ciuda faptului că în prezent folosesc celule de combustibil ca sursă de energie primară necesită mai multe fonduri în cazul unor catalizatori mai ieftine și mai eficiente, membrane stabile cu conductivitate ridicată și celule alternative de hidrogen surse de hidrogen de combustibil poate dobândi atractivitatea economică ridicată.
Trimiteți-le prietenilor: