Una dintre trăsăturile caracteristice ale stadiului modern al dezvoltării umane este creșterea rapidă a consumului de energie. Electricitatea este cel mai avansat tip de energie, ușor de livrat către consumator și de transformat în alte tipuri de energie. Producerea energiei electrice prin metode tradiționale, prin arderea combustibilului în centralele termice și nucleare, este însoțită de poluarea chimică și radiologică a mediului. În același timp, se pune și problema „poluării termice” a Pământului, deoarece astăzi este o concluzie incontestabilă că, pentru a preveni schimbările ireversibile ale climei planetei, producția totală de energie nu ar trebui să depășească 1% din energia totală care ajunge pe Pământ de la Soare. Posibilitatea creșterii potențialului energetic prin construirea de hidrocentrale este limitată de resursele hidroelectrice, precum și de necesitatea înstrăinării unor suprafețe importante de terenuri fertile pentru rezervoare. Rezolvarea problemei fuziunii termonucleare controlate va deschide omenirii accesul la o sursă nelimitată de energie, dar dezavantajele de mai sus, într-o măsură mai mare sau mai mică, vor fi inerente centralelor de fuziune. Aceste motive obligă la dezvoltarea unor metode neconvenționale de producere a energiei electrice.
În ultimii ani, a existat un interes crescut pentru problema modalităților foarte eficiente de conversie a energiei, care apare la intersecția științelor: fizică, chimie și inginerie. Esența acestei probleme constă în transformarea directă, adică fără etape intermediare, a unui tip de energie în altul, cu excluderea completă din proces a unui tip de energie precum energia mecanică. Metodele luate în considerare includ, de exemplu, conversia directă a energiei termice în energie electrică pe baza efectului termoelectric Seebeck, generarea directă de frig din energie electrică prin intermediul efectului Peltier invers efectului Seebeck, generarea directă de energie electrică din energie luminoasă în celulele fotovoltaice și, în cele din urmă, conversia directă a energiei chimice a combustibilului în energie electrică în așa-numita celulă de combustibil.
Toate aceste fenomene și procese fizice sunt cunoscute în principiu de mult timp și fac parte din metodele convenționale de producere a energiei. Spre deosebire de reactorul atomic, în care energia este obținută ca urmare a transformării unei forme de materie în alta, metodele menționate anterior se caracterizează prin transformarea unei forme de energie în alta, în conformitate cu prima lege a termodinamicii.
Dintre toate aceste metode de producere și stocare a energiei, metoda bazată pe conversia hidrogenului stocat într-o celulă de combustibil este în prezent cea mai de succes. Acest succes se datorează faptului că dezvoltarea pilelor de combustie necesită eforturi și costuri relativ modeste, spre deosebire de fisiunea sau fuziunea nucleară, iar randamentul mult mai ridicat al pilei de combustie în comparație cu cel al centralelor termice moderne permite economisirea semnificativă a rezervelor de combustibili fosili.
Un dispozitiv în care energia chimică a combustibilului (agent reducător) și a agentului oxidant, furnizate continuu și separat electrozilor, este transformată direct în energie electrică se numește celulă cu combustibil (FC). Pentru început, haideți să analizăm evoluția istorică a tehnologiei pilelor de combustie.
Conținut
Scurt istoric al dezvoltării pilelor de combustie
Principiul de funcționare al pilelor de combustie a fost descoperit în 1839 de un om de știință englez, W. Grove, care a descoperit că procesul de electroliză — descompunerea apei în hidrogen și oxigen prin intermediul curentului electric — este reversibil, adică hidrogenul și oxigenul se pot combina în molecule de apă fără ardere, dar cu degajare de căldură și curent electric. Dispozitivul în care a fost posibilă realizarea unei astfel de reacții a fost denumit de W. Grove „baterie cu gaz”, care a reprezentat prima celulă de combustibil. În ciuda acestei invenții, în următorii 100 de ani această idee nu și-a găsit niciodată o aplicație practică, ci a fost doar o curiozitate științifică.
În 1937, profesorul F. Bacon a început să lucreze la celula sa de combustibil. Până la sfârșitul anilor 1950, el a dezvoltat o stivă de 40 de celule cu combustibil cu o capacitate de 5 kW. Această stivă putea fi utilizată pentru a alimenta o mașină de sudură sau un troliu. Pila cu combustibil alcalin a fost brevetată de omul de știință în 1959. Aceasta funcționa la temperaturi ridicate (200 °C și mai mult) și presiuni (20…40 bar) și era destul de masivă și grea.
Datorită unor avantaje ale pilei de combustie, cum ar fi absența produșilor de reacție radioactivă, posibilitatea de a acumula excesul de energie cu utilizarea sa ulterioară la sarcini de vârf și, în cele din urmă, posibilitatea de aplicare în echipamentele militare, dezvoltarea pilei de combustie a presupus întotdeauna finanțarea lucrărilor și asigurarea de personal. În timp util, lucrările au primit un impuls puternic din partea tehnologiei spațiale și a rachetelor, unde sunt necesare surse de energie fiabile, cu randament ridicat și puteri și energii specifice mari, iar costul nu este atât de important. Acest lucru a eliminat constrângerile materiale care au împiedicat inițial dezvoltarea pilelor de combustie, atunci când se credea că pilele de combustie ar trebui să fie competitive cu alte surse de energie în ceea ce privește cheltuielile de capital și costul energiei produse.
Dezvoltarea activă a tehnologiei pilelor de combustie a început în anii 1960 și a fost asociată cu dezvoltarea industriei aerospațiale, criza globală a petrolului și intensificarea Războiului Rece și a cursei înarmărilor dintre SUA și URSS. În această perioadă, se căuta o sursă de energie eficientă și fiabilă, dar suficient de compactă. În anii 1960, specialiștii de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) au ales pilele de combustie alcaline ca sursă de energie pentru navele spațiale din cadrul programului Apollo (zboruri spațiale spre Lună). După ce au cumpărat o licență pentru brevetul lui F. Bacon, au reușit să îmbunătățească această tehnologie astfel încât, la 250 °C, celula cu combustibil să poată produce densități de curent de până la 1 A/cm 2 . Instalațiile bazate pe astfel de pile de combustie foloseau hidrogen și oxigen criogenic pentru a produce electricitate, căldură și apă. Pe parcursul a 18 zboruri, pilele de combustie au funcționat în total 10 000 h fără nicio defecțiune.
Pilele de combustie sunt utilizate în prezent în naveta spațială reutilizabilă Space Shuttle, care utilizează trei unități de 12 W care generează toată energia electrică de la bordul navetei. Apa produsă de reacția electrochimică este utilizată ca apă potabilă și, de asemenea, pentru răcirea echipamentelor.
La sfârșitul anilor 1950, angajații General Electric, T. Grab și L. Nidrach, au produs o celulă de combustibil cu polimer solid (SPFC). Grabom și L. Nidrach au produs o celulă de combustibil solid-polimer (SPFC). Inițial, au utilizat membrane de polistiren sulfat ca electrolit solid. În 1966, aceste membrane au fost înlocuite de membranele Nafion ale lui Dupon. Dezvoltarea noii membrane a contribuit foarte mult la dezvoltarea pilelor de combustie. Aceste membrane au arătat o performanță mai bună în celula de combustibil în ceea ce privește eficiența și durabilitatea și sunt și astăzi cele mai utilizate în tehnologia celulelor de combustibil cu polimeri solizi. TPFE-urile au fost utilizate pe scară largă pentru alimentarea navei spațiale Jimini. După încheierea zborurilor acesteia, activitatea de cercetare în acest domeniu a fost suspendată, deoarece NASA a văzut un potențial mai mare în celulele de combustibil alcaline, care erau mai eficiente la acea vreme.
De asemenea, s-a observat o creștere a interesului pentru pilele de combustie începând cu anii 1980, din cauza necesității de a dispune de mijloace de transport ecologice și de unități de alimentare staționare autonome ecologice care să funcționeze la un randament ridicat. De la începutul anilor 2000, s-a observat o creștere a cercetării fundamentale și practice în domeniul surselor de alimentare portabile cu pile de combustie. Cererea de surse de alimentare portabile este foarte mare și continuă să crească odată cu dezvoltarea și adoptarea pe scară largă a electronicelor portabile (playere, telefoane mobile, PDA-uri portabile etc.). Există, de asemenea, o nevoie de surse de alimentare pentru aplicații militare (de exemplu, senzori și încărcătoare).
Istoria dezvoltării pilelor de combustie a fost zbuciumată din momentul descoperirii până în prezent. Acest lucru se datorează aspectelor politice și sociale, precum și dezvoltării de noi tehnologii și materiale. În ultimii ani, s-au înregistrat progrese semnificative în dezvoltarea și comercializarea TE. Acest lucru dovedește fără îndoială că acestea vor fi utilizate pe scară largă pentru generarea de energie în viitorul apropiat. Acest lucru necesită o cooperare strânsă între oamenii de știință, ingineri, investitori și guvern. În majoritatea țărilor dezvoltate, această cooperare a condus deja la introducerea de noi tehnologii pentru a asigura viața generațiilor viitoare.
Pila de combustie
O celulă de combustibil (generator electrochimic) este un dispozitiv care convertește energia chimică a combustibilului (hidrogen) în energie electrică printr-o reacție electrochimică directă, spre deosebire de tehnologiile tradiționale care utilizează arderea combustibililor solizi, lichizi și gazoși. Conversia electrochimică directă a combustibilului este foarte eficientă și atractivă din punct de vedere ecologic, deoarece procesul emite un minim de poluanți și nu există zgomote și vibrații puternice.
Din punct de vedere practic, o celulă cu combustibil seamănă cu o baterie galvanică convențională. Diferența este că bateria este inițial încărcată, adică umplută cu „combustibil”. În timpul funcționării, „combustibilul” este consumat și bateria este descărcată. Spre deosebire de o baterie, o pilă de combustie utilizează combustibil furnizat de o sursă externă pentru a produce energie electrică (fig. 1.2). Pila cu combustibil se bazează pe doi electrozi separați de un electrolit solid sau lichid. Combustibilul și oxidantul sunt introduse în cavitățile care mărginesc electrozii; reacțiile de oxidare și reducere au loc la interfața electrolit-electrod în prezența unui catalizator. Ca urmare a acestor reacții, se formează ionii A — și B + (care se recombină apoi în produsul final de reacție AB) și se eliberează (sau se absoarbe) căldura Q. Electronii eliberați în timpul reacției de oxidare a combustibilului creează un exces de sarcină negativă la electrodul corespunzător (anod); un exces de sarcină pozitivă este creat la catod ca urmare a reacției de reducere a oxidantului.
Atunci când un circuit extern este închis, în acesta apare un curent electric, care efectuează lucrul util Epol. Reacția totală: A + B = AB + Q + Epol. Electroliții din TE nu numai că conțin substanțe care participă la reacțiile electrochimice, dar asigură și separarea spațială a proceselor de oxidare și reducere. Funcționarea eficientă a pilelor de combustie necesită o suprafață de electrod dezvoltată (până la sute de metri pătrați pe gram de substanță), organizarea rațională a proceselor de adsorbție și ionizare a moleculelor substanțelor care reacționează și îndepărtarea electronilor și a produselor de reacție, puritate ridicată a reactivilor.
Avantaje și dezavantaje ale pilelor de combustie
Pilele de combustie sunt o modalitate foarte eficientă, fiabilă, durabilă și ecologică de a genera energie. Pilele de combustie sunt mai eficiente din punct de vedere energetic decât motoarele cu ardere internă, deoarece nu există nicio limită termodinamică pentru factorul de utilizare a energiei. Eficiența pilelor de combustie este de 50 %, în timp ce eficiența motoarelor cu ardere internă este de 12-15 %, iar eficiența centralelor electrice cu turbină cu abur nu depășește 40 %. Prin utilizarea căldurii și a apei produse în timpul reacției electrochimice, eficiența pilelor de combustie este și mai mare.
Un avantaj important al pilelor de combustie este respectarea mediului înconjurător. Emisiile de poluanți în atmosferă în timpul funcționării pilelor de combustie sunt foarte scăzute. Pilele de combustie pot fi amplasate direct în clădire, reducând astfel pierderile de transport al energiei, iar căldura generată ca urmare a reacției poate fi utilizată pentru alimentarea cu căldură sau apă caldă a clădirii. Sursele autonome de alimentare cu energie termică și electrică pot fi foarte favorabile în zonele izolate și în regiunile caracterizate de o lipsă de energie electrică și de costul ridicat al acesteia, dar în același timp există rezerve de materii prime care conțin hidrogen (petrol, gaze naturale).
Avantajele pilelor de combustie sunt, de asemenea, disponibilitatea combustibilului, fiabilitatea (nu există părți mobile într-o pilă de combustie), durabilitatea și ușurința în exploatare. În plus, celula de combustie deschide perspective pentru dezvoltarea transportului electric, care nu creează mirosuri și zgomot în timpul deplasării.
Una dintre problemele legate de funcționarea pilelor de combustie este că reacția electrochimică este foarte lentă la temperatura camerei și este nevoie de sute de ani pentru ca o fracțiune semnificativă a moleculelor să reacționeze. Pentru o celulă cu combustibil, acest lucru duce la o putere specifică foarte scăzută. Pentru a accelera reacțiile anodice și catodice, se utilizează catalizatori scumpi sau se crește temperatura celulei. Nu trebuie uitat faptul că utilizarea hidrogenului pur ca și combustibil este cea mai eficientă, dar aceasta va necesita crearea unei infrastructuri speciale pentru producerea, purificarea și transportul acestuia. În viitor, se ia în considerare posibilitatea de a utiliza surse de energie regenerabilă ecologice (de exemplu, energia solară sau energia eoliană) pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen prin electroliză și de a converti apoi combustibilul rezultat într-o celulă de combustie. Astfel de instalații combinate (fig. 1.3), care funcționează în ciclu închis, pot reprezenta o sursă de energie complet ecologică, fiabilă, durabilă și eficientă.
Unul dintre principalele dezavantaje ale pilelor de combustie din prezent este costul relativ ridicat al acestora, dar acest dezavantaj ar putea fi depășit în curând: din ce în ce mai multe companii produc modele comerciale de pile de combustie, acestea se îmbunătățesc continuu, iar costul lor scade. Principalii factori care contribuie la costul unei pile de combustie sunt catalizatorul și electrolitul costisitor.
O celulă de combustie modernă constă dintr-o peliculă subțire (de la 50 la 250 microni) de Nafion acoperită pe ambele părți cu un catalizator (anod și catod); împotriva straturilor catalitice sunt presați colectori de curent realizați dintr-un material poros permeabil la gaze care conduce bine electricitatea.
În prezent, costul electricității generate de o celulă de combustie este mai ridicat decât costul electricității produse din surse convenționale de energie fosilă. Bineînțeles, acesta este în continuă scădere, iar costul pilei de combustie oxigen-hidrogen este de așteptat să scadă în următorii zece ani. De asemenea, trebuie remarcat faptul că costul de exploatare depinde de costul ridicat al hidrogenului, mai ales că celula de combustie acceptă să consume numai hidrogen foarte pur — impuritățile, în special monoxidul de carbon, otrăvesc catalizatorul de platină.
Astfel, în ciuda progreselor remarcabile înregistrate în domeniul pilelor de combustie de la misiunea pe Lună, energia acestora este încă prea scumpă pentru a fi utilizată pe scară largă — atunci când vine vorba de alimentarea cu energie a locuințelor, a întreprinderilor și a mijloacelor de transport. Pentru ca o pilă de combustie pe bază de hidrogen să devină un concurent al centralelor termice și nucleare, energia sa trebuie să devină de cel puțin opt ori mai ieftină, iar atât celula în sine, cât și hidrogenul trebuie să devină mai ieftine prin îmbunătățirea tehnologiei utilizate pentru producerea sa.
Tipuri de pile de combustie
De obicei, pilele de combustie sunt clasificate în funcție de tipul de electrolit. Cele mai comune sunt enumerate în tabelul 1.1.
Una dintre caracteristicile cheie ale diferitelor tipuri de pile de combustie este temperatura de funcționare. Adesea, temperatura este cea care determină aplicarea pilelor de combustie. De exemplu, temperatura ridicată este critică pentru laptopuri și alte dispozitive portabile, astfel încât pentru acest segment de piață sunt dezvoltate pile de combustie cu membrană de schimb protonic (TE solid-polimer) caracterizate prin temperaturi de funcționare scăzute. Cu toate acestea, până în prezent, costul unei pile de combustie cu polimeri solizi este foarte ridicat.
Costul ridicat al pilei de combustie cu polimeri solizi se datorează costului ridicat al materialelor, precum și costului ridicat al combustibilului — hidrogenul. Să analizăm în detaliu diferitele tipuri de pile de combustie și principiile lor de funcționare.
Pile de combustie cu electrolit alcalin sau pile de combustie alcaline (ALFC)
Conductorul ionic al pilelor de combustie alcaline este o soluție de KOH, care are o conductivitate electrică ridicată. Astfel de pile de combustie au un randament ridicat și utilizează un catalizator necostisitor. Cu toate acestea, în timpul fabricării elementelor de ecranare, se acordă o atenție deosebită etanșării zonelor prin care poate pătrunde electrolitul.
În timpul funcționării electrodului cu electrolit ecranat au loc următoarele reacții:
- la anod: 2H2 + 4OH — → 2H2O + 4e — ;
- la catod: O2 + 2Н2O + 4e — → 4OH — .
De asemenea, este de remarcat faptul că pentru funcționarea SHTE se utilizează oxigen și hidrogen pur pentru a evita carbonizarea electrolitului.
Pile de combustie cu membrană de schimb protonic
Aceste pile de combustie funcționează la temperaturi de funcționare relativ scăzute (40…60 °C). Ele sunt caracterizate de o putere specifică ridicată, permit reglarea rapidă a puterii de ieșire și pot fi pornite rapid. Dezavantajul acestui tip de celule este reprezentat de cerințele ridicate privind calitatea combustibilului, deoarece combustibilul contaminat poate deteriora membrana.
Acest tip de pile de combustie utilizează un electrolit polimeric solid numit membrană de schimb protonic (PEM). A doua denumire utilizată în literatura de specialitate este celula de combustie în stare solidă. Protonii se pot deplasa prin membrana de schimb protonic, dar electronii nu pot trece prin aceasta, rezultând o diferență de potențial între catod și anod. Anodul TPTE primește hidrogen combustibil (agent reducător). Catodul primește oxigen sau aer (oxidant). O altă clasificare a FET-urilor este legată de aceasta: FET-uri hidrogen-oxigen și FET-uri hidrogen-aer.
În timpul funcționării TPTE au loc următoarele reacții:
- la anod: 2H2 → 4H + + + 4e — ;
- la catod: O2 + 4H + + + 4e — → 2H2O.
Acest tip de pile de combustie este utilizat ca sursă de energie pentru o gamă largă de dispozitive diferite, de la telefoane mobile la autobuze și sisteme de alimentare staționare. Temperatura scăzută de funcționare permite ca aceste celule să fie utilizate pentru alimentarea diferitelor tipuri de dispozitive electronice complexe. Aceste celule sunt, de asemenea, promițătoare ca sursă autonomă de alimentare cu energie pentru clădiri rezidențiale mici, cum ar fi cabanele.
Pilele de combustie cu conversie directă a metanolului sunt de tip TPTE. Principala diferență este că metanolul este utilizat drept combustibil.
Următoarele reacții au loc în pilele de combustie cu conversie directă a metanolului:
- la anod: 2CH3OH + 2H2O → 2CO2 + 12H + + + 12e — ;
- la catod: 3O2 + 12H + + + 12e — → 6H2O.
Metanolul este un combustibil lichid. Acesta este un mare avantaj în cazul tranziției de la infrastructura de combustibil existentă. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că metanolul este o substanță toxică, în plus, eficiența conversiei energiei chimice în energie electrică într-o astfel de celulă este scăzută. Producția de dioxid de carbon în timpul funcționării unei astfel de pile de combustie este, de asemenea, un dezavantaj în legătură cu tendința în curs de dezvoltare de trecere la surse de energie curate.
Pile de combustie pe bază de acid ortofosforic (PAFC)
Aceste pile de combustie utilizează ca electrolit o soluție de acid fosforic. Electrozii sunt realizați din hârtie acoperită cu carbon în care este dispersat un catalizator de platină. În pilele de combustie pe bază de acid ortofosforic, au loc următoarele reacții:
- la anod: 2H2 → 4H + + 4e — ;
- la catod: O2 + 4H + + + 4e — → 2H2О.
Randamentul electric al pilelor de combustie PAFC este de 55 %, iar temperatura de funcționare este de 160…220 °C. Cu toate acestea, deoarece aceste pile de combustie funcționează la o temperatură suficient de ridicată, este posibilă utilizarea aburului generat ca urmare a funcționării. În acest caz, randamentul global poate ajunge la 80 %.
Pile de combustie cu carbonat topit (MCFC)
Elementele combustibile de acest tip funcționează la temperaturi foarte ridicate — 600…700 °C. Aceste temperaturi de funcționare permit utilizarea combustibilului direct în celula însăși, fără utilizarea unui reformator separat. Acest proces se numește „reformare internă”. El permite simplificarea semnificativă a designului pilei de combustibil. La anodul unei astfel de celule are loc reducerea carbonării cu formarea de vapori de apă și dioxid de carbon. În consecință, CO2 este direcționat către compartimentul catodic, iar electronii prin intermediul unui circuit extern către catod. Aici oxigenul acceptă electroni și reacționează cu dioxidul de carbon pentru a forma ioni carbonat CO3. Următoarele reacții au loc în timpul funcționării pilelor de combustie pe bază de carbonat topit:
Avantajele unui astfel de TE: eficiență de aproximativ 65 %, fără platină (nichelul poate servi drept catalizator pe partea anodică și oxidul de nichel pe partea catodică), combustibilul poate fi hidrogenul, gazele naturale și chiar motorina. Principalele probleme sunt durata scurtă de viață, care duce la costuri ridicate de întreținere, și costul ridicat. Pilele de combustie pe bază de carbonat topit necesită un timp de pornire semnificativ și nu permit reglarea rapidă a puterii de ieșire, astfel încât domeniul principal de aplicare al acestora este reprezentat de surse staționare mari de căldură și energie electrică.
Pile de combustie cu oxid solid (SOFC)
Pilele de combustie cu oxid solid sunt caracterizate de o construcție simplă și funcționează la temperaturi foarte ridicate — 800…1000 °C. Aceste temperaturi ridicate permit utilizarea de combustibil relativ „murdar”, netratat. Aceleași caracteristici ca și cele ale pilelor de combustie pe bază de carbonat topit determină un domeniu de aplicare similar: surse staționare mari de căldură și energie electrică.
Pilele de combustie sunt diferite din punct de vedere structural de pilele de combustie bazate pe tehnologiile PAFC și MCFC. Anodul, catodul și electrolitul sunt realizate din tipuri speciale de ceramică. Cel mai adesea se utilizează ca electrolit un amestec de oxid de zirconiu și oxid de calciu, dar se pot folosi și alți oxizi. Electrolitul formează o rețea cristalină acoperită pe ambele părți de materialul poros al electrodului. Din punct de vedere structural, aceste elemente sunt realizate sub formă de tuburi sau plăci plate, ceea ce permite fabricarea lor cu ajutorul tehnologiilor utilizate pe scară largă în industria electronică. Ca urmare, pilele de combustie cu oxid solid pot funcționa la temperaturi foarte ridicate, astfel încât este avantajoasă utilizarea lor pentru producerea de energie electrică și termică.
În timpul funcționării SFC au loc următoarele reacții:
- la anod: 2H2 + 2O — → 2H2O + 4e — ;
- la catod: O2 + 4e — → 2O — .
La temperaturi ridicate de funcționare, la catod se formează ioni de oxigen, care migrează prin rețeaua cristalină către anod, unde interacționează cu ionii de hidrogen pentru a forma apă și a elibera electroni liberi. Hidrogenul este eliberat din gazul natural direct în celulă, adică nu este nevoie de un reformator separat.
Pilele de combustie au demonstrat o fiabilitate foarte ridicată. De exemplu, prototipul pilei de combustie fabricat de Siemens Westinghouse a funcționat timp de 16 600 h și continuă să funcționeze, ceea ce a devenit cea mai lungă durată de funcționare continuă a unei pile de combustie din lume.
Principiul de funcționare al unei pile de combustie cu polimeri solizi
Spre deosebire de alte celule cu combustibil, celulele cu combustibil solid-polimeric utilizează un electrolit cvasi-solid bazat pe o structură polimerică cu lanțuri laterale care conțin grupe acide. Numeroasele avantaje ale acestui tip de pile de combustie le fac cele mai atractive pentru aplicații terestre la scară mică, cum ar fi transportul, sistemele energetice casnice și dispozitivele portabile. Caracteristicile distinctive ale pilelor de combustie cu polimeri solizi sunt temperaturile de funcționare relativ scăzute (până la 90 °C), densitățile de putere ridicate, compactitatea sistemelor bazate pe acestea și ușurința manipulării combustibilului.
Să luăm în considerare principiul de funcționare a unei celule de combustibil pe exemplul celui mai simplu element cu o membrană de schimb protonic — polimer solid.
O astfel de celulă constă dintr-o membrană polimerică plasată între anod (electrod pozitiv) și catod (electrod negativ) împreună cu catalizatori anodici și catodici. Membrana polimerică este utilizată ca electrolit. Dispozitivul TPTE este prezentat în figura 1.4. Electrozii asigură contactul între gaz și electrolit; transferul de sarcină are loc la limita celor trei faze: electrod, gaz și electrolit. Electronul se transferă de la hidrogen la particula de carbon, iar molecula de hidrogen se descompune în protoni conform reacției H2 → 2H + + + 2e — .
Apoi electronii se deplasează de la o particulă de carbon la alta, la colectorul de curent și la circuitul extern, iar apoi la catod, unde are loc reacția de formare a apei datorită reacției 4H + + 4e — + O2 → 2H2O.
Protonii, la rândul lor, se deplasează, de asemenea, spre partea catodică prin intermediul electrolitului.
În prezent, un film — membrana electrolitică polimerică (PEM) — este utilizat ca „electrolit” al TPTE. Acesta constă din molecule uriașe de acid polivalent, în care acidul [- SO3], iar protonii se deplasează liber prin polimer (de unde și a doua denumire „membrană conductoare de protoni”). Cea mai comună PEM este o peliculă de poliacid politetrafluoroetilenă etilenă-perfluoro-sulfonic, cunoscută sub marca comercială „Nafion”. O astfel de membrană este un compus organic solid subțire (aproximativ 2-7 foi de hârtie de grosime obișnuită). Această membrană funcționează ca un electrolit: ea separă o substanță în ioni încărcați pozitiv și negativ în prezența apei.
La anod are loc un proces de oxidare, iar la catod are loc un proces de reducere. Anodul și catodul sunt realizate dintr-un material poros, care este cel mai adesea un amestec de particule de carbon, platină și un ionomer conductiv care formează stratul catalitic. Platina acționează ca un catalizator pentru a promova reacția de disociere. Anodul și catodul sunt poroase pentru a permite trecerea liberă a hidrogenului și, respectiv, a oxigenului.
Anodul și catodul sunt plasate între două plăci metalice care alimentează anodul și catodul cu hidrogen și oxigen și descarcă căldură și apă, precum și energie electrică.
Prin canalele din placă, moleculele de hidrogen ajung la anod, unde are loc descompunerea moleculelor în atomi individuali (fig. 1.5). Apoi, ca urmare a chimisorbției în prezența unui catalizator, atomii de hidrogen, cedând fiecare câte un electron e — , se transformă în ioni de hidrogen încărcați pozitiv H + , adică protoni.
Ionii de hidrogen încărcați pozitiv (protoni) difuzează prin membrană către catod, iar fluxul de electroni este direcționat către catod printr-un circuit electric extern la care este conectată sarcina (consumatorul de energie electrică).
Oxigenul furnizat catodului în prezența unui catalizator reacționează chimic cu ionii de hidrogen (protoni) din membrana de schimb protonic și cu electronii din circuitul electric extern (fig. 1.6). Reacția chimică duce la formarea apei.
Fluxul de electroni din circuitul extern este un curent continuu care este utilizat pentru a efectua lucru. Deschiderea circuitului extern sau oprirea fluxului de ioni de hidrogen oprește reacția chimică.
Cantitatea de energie electrică produsă de o celulă cu combustibil depinde de tipul de celulă cu combustibil, de dimensiunile geometrice, de temperatură și de presiunea gazului. Este posibil să se mărească dimensiunea pilelor de combustie, dar în practică se folosesc mai multe pile conectate în baterii (fig. 1.7).
Aplicații ale pilelor de combustie
Folosite inițial numai în industria spațială, pilele de combustie sunt acum din ce în ce mai utilizate într-o mare varietate de aplicații, cum ar fi centralele electrice staționare, sursele autonome de căldură și alimentare cu energie electrică a clădirilor, motoarele vehiculelor, sursele de alimentare pentru laptopuri și telefoane mobile (tabelul 1.2). Unele dintre aceste dispozitive sunt prototipuri de laborator, altele sunt teste de preproducție sau utilizate în scopuri demonstrative, dar multe modele sunt produse în serie și utilizate în proiecte comerciale.
Unitățile staționare sunt în general împărțite în unități de mare putere (peste 10 kW) și unități de mică putere (sub 10 kW). Centralele electrice pe bază de pile de combustie de mare putere sunt o realitate de mult timp. În principal, pentru astfel de instalații se utilizează pile de combustie pe bază de carbonați topiți, acid fosforic și pile de combustie cu oxid solid. Există, de asemenea, astfel de instalații bazate pe TPTE. În majoritatea cazurilor, astfel de instalații sunt utilizate nu numai pentru producerea de energie, ci și pentru încălzirea consumatorilor. Acest lucru face posibilă creșterea semnificativă a eficienței sistemului în ansamblu. Până în prezent, principalii producători din acest domeniu sunt UTC, Fuel Cell Energy, Siemens Westinghouse și Ballard.
Se depun eforturi considerabile pentru a dezvolta instalații hibride în care pilele de combustie de înaltă temperatură sunt combinate cu turbine cu gaz. Eficiența acestor instalații poate ajunge până la 74,6 % cu îmbunătățirea turbinelor cu gaz.
În ultimii ani au fost dezvoltate și unități staționare de mică putere. Astfel de instalații se bazează de obicei pe TPTE. Principalul jucător de pe piața acestor unități de putere este compania japoneză „Ebara” — o filială a companiei canadiene „Ballard”. Această companie a dezvoltat o unitate de 1 kW. O altă companie japoneză „Fuji Electric” a lansat, de asemenea, o unitate similară pe piață. Instalația lor se bazează pe celule de combustibil cu acid fosforic. O unitate mai puternică de 4,6 kW a fost introdusă pe piață de Valliant Group. Această unitate generează nu numai energie electrică, ci și energie termică (11 kW).
Impulsul pentru dezvoltarea sistemelor de alimentare cu combustibil de mică putere este necesitatea de a furniza electricitate și încălzire comunităților izolate, posibilitatea de a utiliza sistemele ca sursă suplimentară de energie și în cazul unor defecțiuni tehnice în alimentarea cu energie. Astfel de sisteme pot salva vieți atunci când sunt utilizate în spitale, pot preveni accidentele atunci când sunt utilizate în sistemele de securitate și supraveghere și pot elimina pierderea de date importante atunci când sunt utilizate, de exemplu, în instituțiile financiare.
Utilizarea pilelor de combustie în transporturi este, de asemenea, un domeniu promițător. Majoritatea liderilor din industria auto și-au prezentat deja prototipurile. Cu toate acestea, companii precum „Ford”, „Renault” au anunțat încetarea lucrărilor în această direcție, de asemenea, în „General Motors” a redus valoarea finanțării în acest domeniu. Acest lucru se datorează faptului că astfel de tehnologii necesită reconstrucția infrastructurii de alimentare cu combustibil, precum și problemelor care decurg din stocarea hidrogenului la bordul mașinii și costul ridicat al hidrogenului. Cea mai mare parte a activității marilor întreprinderi se concentrează în prezent pe îmbunătățirea vehiculelor electrice, inclusiv a celor cu pile de combustie integrate.
Comercializarea echipamentelor pe bază de hidrogen, a tehnologiilor pe bază de hidrogen și a sistemelor energetice pe bază de hidrogen, care se dezvoltă în prezent în lume, pe baza succesului unor soluții tehnice specifice, va asigura în viitorul apropiat intrarea reală a economiei hidrogenului în viața țărilor dezvoltate industrial. Lupta ascunsă (și uneori deschisă) pentru piețele de desfacere a tehnologiei hidrogenului a început deja între companii — giganți industriali din Germania, SUA, Japonia.
O altă direcție de dezvoltare a acestei tehnologii este transportul public, care beneficiază fără îndoială de dezvoltarea energiei pe bază de hidrogen. De exemplu, în perioada 2001-2006, în 11 orașe europene au fost lansate 27 de autobuze care funcționează cu baterii de combustibil (programul Clean Urban Transport for Europe). Nu trebuie să uităm de transportul spațial. Avantajul utilizării pilelor de combustie la bordul unei nave spațiale este evident: capacitatea energetică este mult mai mare decât cea a bateriilor și, în plus, operațiunea produce apă care poate fi utilizată dacă este necesar. Utilizarea pilelor de combustie în transportul maritim, inclusiv subacvatic, este, de asemenea, promițătoare. Dezvoltarea transportului pe bază de pile de combustie depinde de mulți factori, inclusiv de factori economici, inclusiv de situația de pe piața petrolului.
Un alt domeniu de aplicare important pentru TE este electronica portabilă. Aceasta este o piață uriașă, care include telefoane mobile, computere portabile, camere foto și video, dispozitive de navigație și multe altele. În prezent, sursele de energie pentru dispozitivele portabile sunt bateriile convenționale și bateriile reîncărcabile. Principalul dezavantaj al bateriilor este că acestea rămân fără energie și este nevoie de mult timp pentru a reîncărca o baterie. Principala provocare este reducerea dimensiunii și a greutății sursei de energie, în timp ce durata de viață a acesteia crește. În cazul unei baterii, dimensiunea acesteia crește proporțional cu creșterea duratei de viață, însă pentru ca o celulă de combustibil să funcționeze o perioadă lungă de timp, nu celula de combustibil în sine trebuie să crească, ci doar sursa de combustibil. Rețineți că, de exemplu, o celulă cu metanol de 10 W necesită teoretic 4,2 cm 2 de metanol pe oră.
Organizațiile guvernamentale sunt interesate în primul rând de dezvoltarea domeniilor energetice menționate mai sus, datorită promovării tot mai mari a stilurilor de viață ecologice. În cazul surselor de energie portabile, există un mare interes din partea organizațiilor comerciale, care se dezvoltă în funcție de tendințele pieței. Din cauza finanțării reduse, tehnologiile portabile de alimentare cu combustibil nu vor ajunge prea curând la consumatori. Cu toate acestea, dezvoltarea lor este impulsionată de sectorul militar și încă apar pe piață prototipuri de baterii cu metanol combustibil pentru laptopuri și telefoane (figurile 1.8 și 1.9).
Principalii dezvoltatori de surse de alimentare portabile bazate pe celule polimerice solide cu microfuel sunt Medis Technologies (Israel — SUA), Angstrom Power (Canada), Hitachi Maxell (Japonia), DoCoMo — Aquafairy (Japonia), Neah Power Systems (SUA), CEA (Franța), Fraunhofer Institut (Germania). Printre companiile rusești implicate în dezvoltarea de surse de alimentare similare, trebuie menționată Asociația Aspect.
Sursele de alimentare dezvoltate de societățile menționate anterior diferă semnificativ în ceea ce privește caracteristicile tehnice și operaționale, precum și tipul de combustibil utilizat (hidrogen, alcool). Numai Medis Technologies a început producția în masă de surse de alimentare portabile în 2006. MTI MicroFuel Cells Inc. („MTI Micro”) și-a lansat sursa de alimentare portabilă Mobion în 2009. Potrivit reprezentanților MTI, noile pile de combustie sunt capabile să alimenteze smartphone-urile și PDA-urile timp de 4…20 de ore de utilizare activă. În 2009, Toshiba a lansat o celulă cu combustibil portabilă „Dynario fuel cell”. Tot în 2009, compania germană „SFC” a intrat pe piață cu o sursă de alimentare portabilă „Jenny”, orientată, totuși, într-o mai mare măsură, spre aplicații militare. Toate sursele de energie menționate mai sus funcționează pe bază de metanol.
Pilele de combustie pe bază de metanol produc dioxid de carbon, în timp ce pilele de combustie hidrogen-aer produc apă în timpul funcționării. Datorită tendințelor în creștere în ceea ce privește energia ecologică, pilele de combustie hidrogen-aer au un avantaj incontestabil față de pilele de combustie metanol. De asemenea, este de remarcat faptul că intensitatea energetică a pilelor de combustie hidrogen-aer este mai mare decât cea a pilelor de combustie metanol.
Problemele larg discutate legate de pericolul stocării hidrogenului ca substanță explozivă fac dificilă introducerea pe piață a tehnologiilor cu pile de combustie hidrogen-aer. Cu toate acestea, în cazul surselor de energie portabile, acest pericol dispare datorită cantității mici de hidrogen utilizate.
O direcție promițătoare de aplicare a pilelor de combustie este utilizarea acestora împreună cu sursele de energie regenerabile, de exemplu, panourile fotovoltaice sau centralele eoliene. O astfel de tehnologie face posibilă evitarea completă a poluării atmosferice. În prezent, panourile solare sunt cel mai des utilizate ca una dintre sursele de energie. Au fost dezvoltate proiecte de utilizare a panourilor fotovoltaice pentru a produce hidrogen și oxigen din apă prin electroliză. Hidrogenul este apoi utilizat în celule de combustibil pentru a produce electricitate și apă caldă. Acest lucru face posibilă menținerea în funcțiune a tuturor sistemelor în zilele înnorate și pe timp de noapte.
În ultimii ani s-au înregistrat progrese semnificative în sectorul energiei din combustibili. Comercializarea în acest domeniu a fost împiedicată până acum de costurile ridicate de capital. Această problemă este abordată de cercetători și ingineri cu înaltă calificare din întreaga lume. Ponderea energiei produse prin tehnologia pilelor de combustie este în continuă creștere.
