Pilhas de combustível

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As baterias recarregáveis ​​são claramente não suficiente para os carros elétricos de potência por um período considerável de tempo. Sem baterias confiáveis ​​e espaçoso, você perde o desafio da mobilidade em massa. Assim, a indústria está trabalhando mais ativamente para o problema das fontes de energia alternativa ao petróleo. E a direção da alternativa mais promissora para as baterias de lítio, são as células de combustível.

O princípio básico do funcionamento dessas células foi descoberto pelo cientista britânico Sir William Grove em 1839. Ele é conhecido como o pai da célula de combustível. William Grove Gerou electricidade, alterando a electrólise de água ao extracto de hidrogénio e oxigénio.

Depois de desligar a bateria a partir da célula electrolítica, Arvoredo Ele ficou surpreso ao descobrir que os eletrodos começou a absorver o gás liberado e gerar energia. A descoberta do processo de combustão frio “idrochimica” Hydrogen tornou-se um evento significativo no sector da energia.

O próprio termo “célula de combustível” Ele apareceu mais tarde foi proposta em 1889 da Ludwig Mond e Charles Langer, que eles tentaram criar um dispositivo para a geração de eletricidade a partir do ar e do gás de carvão.

Durante a combustão normais, oxigênio oxida combustíveis fósseis ea energia química do combustível é convertida em energia térmica em uma maneira ineficiente. Foi descoberto que é possível realizar a reacção de oxidação, por exemplo, hidrogénio com oxigénio, num meio electrolítico na presença de eléctrodos para a obtenção de uma corrente elétrica. por exemplo, fornecimento de hidrogénio a um eléctrodo localizado num meio alcalino, temos elétrons:

2H₂ + 4OH- → 4H₂O + 4e-

que, que passa através do circuito externo, variando oposto eléctrodo, para que o oxigénio entra e onde a reacção ocorre:

4e- + O₂ + 2H₂O → 4Oh-

Você pode ver que a reação resultando 2H₂ + O₂ H →₂O É o mesmo que a combustão regular, mas em uma célula de combustível, ou em um gerador electroquico, uma corrente eléctrica é gerada com grande eficiência e parcialmente calor.

Note-se que carbono, monóxido de carbono, álcoois, hidrazina e outras substâncias orgânicas também podem ser usadas como combustível em células de combustível e ar, peróxido de hidrogénio, cloro, bromo, ácido nítrico, etc.. Eles podem ser utilizados como agentes oxidantes.

em 1965 células de combustível foram testados nos Estados Unidos no navio Gêmeos 5 e, subseqüentemente, os navios da Apollo para voos para a lua e no programa Shuttle.

A próxima fase do rápido desenvolvimento de células de combustível começou nos anos 90 e continua agora. Ela é causada pela necessidade de fontes de energia novas e eficientes em relação, de um lado, o problema ambiental global do aumento das emissões de gases de efeito estufa a partir da combustão de combustíveis fósseis e, outro, com o esgotamento de tais combustíveis. Uma vez que a água é o produto final de combustão de hidrogénio numa célula de combustível, Eles são considerados o ponto de impacto ambiental mais limpo de vista. O principal problema é apenas encontrar uma maneira de baixo custo para produzir hidrogênio.

Bilhões de aplicações financeiras no desenvolvimento de células de combustível e geradores de hidrogênio deve levar a uma tecnologia inovadora e tornar seu uso na vida de cada dia uma realidade. gigantes já automotivos como Ballard, Honda, Daimler Chrysler e General Motors já estão testando carros e ônibus com célula de combustível 50 kW. Várias empresas desenvolveram plantas de demonstração de que as células utilização de combustível com um electrólito de óxido sólido com uma capacidade de até 500 kW. mamãe, apesar de um significativo passo em frente na melhoria do desempenho da célula de combustível, você precisa para resolver muitos problemas mais relacionados ao seu custo, confiabilidade e segurança.

Em uma célula de combustível, Ao contrário das pilhas e acumuladores, ambos combustível e o oxidante são fornecidos a partir do exterior. A célula de combustível é apenas um mediador na reação e em condições ideais pode funcionar para quase sempre. A beleza desta tecnologia é que, de fato, eu’elemento de queima de combustível e converte diretamente a energia liberada em eletricidade. Com a combustão direta de combustível, Ele é oxidado com oxigénio e o calor gerado no processo é usado para realizar trabalho útil.

Em uma célula de combustível, como em baterias, as reacções de oxidação do combustível e a redução de oxigénio são espacialmente separados e o processo de “combustão” Ele prossegue somente se o celular emite corrente para a carga. É como um gerador diesel, só que sem um motor diesel, sem fumaça, ruído, sobreaquecimento e com muito maior eficiência. O último é explicado pelo fato de que, primeiro, não há dispositivos mecânicos intermédios e, em segundo lugar, a célula de combustível não é um motor de calor e, portanto, não obedece à lei de Carnot (ou, a sua eficácia não é determinada pela diferença de temperatura).

O oxigénio é usado como agente oxidante em células de combustível. também, uma vez que o oxigénio no ar é bastante, você não precisa se preocupar com o fornecimento de um agente oxidante. Quanto ao combustível, é hidrogénio. em seguida, a reacção ocorre na célula de combustível:

2H₂ + O₂ H →₂O + eletricidade + calor.

Euo resultado é energia útil e vapor de água. O design mais simples é um célula de combustível com membrana de troca de prótons (veja a Figura 1). Ele funciona da seguinte forma: o hidrogénio que entra no elemento decompõe-se sob a acção do catalisador em iões hidrogénio e electrões H + carregado positivamente. Em seguida, vem em uma membrana especial, que actua como um electrólito numa bateria convencional. Devido à sua composição química, os prótons passam por si, mas armadilhas elétrons. portanto, os electrões acumulados sobre o ânodo cria uma carga negativa em excesso de iões de hidrogénio e criar uma carga positiva no cátodo (a tensão é aproximadamente elemento 1 V).

Para criar de alta potência, uma célula de combustível é constituído por uma pluralidade de células. Se você incluir um elemento na carga, os electrões fluam atrav do mesmo para o cátodo, a criação de uma corrente e completar o processo de oxidação de hidrogénio por oxigénio. Como um catalisador nas referidas células de combustível, Eles são tipicamente micropartículas de platina depositada sobre uma fibra de carbono utilizada. Graças à sua estrutura, um tal catalisador passa gás bem e electricidade. A membrana é tipicamente feito de um polímero Nafion contendo enxofre-. A espessura da membrana é de décimos de milímetro. Durante a reacção,, naturalmente, Também o calor é liberado, mas não é tanto, em seguida, a temperatura de operação é mantida no intervalo 40-80 ° C.

FIG. 1 O princípio de funcionamento da célula de combustível

Existem outros tipos de células de combustível, que diferem principalmente no tipo de electrólito utilizada. Quase todos eles exigem hidrogênio como combustível, por isso é uma questão lógica: onde encontrá-lo. claro, seria possível utilizar hidrogénio comprimido em recipientes especiais, mas, em seguida, imediatamente surgir problemas associados com o transporte e armazenamento deste gás altamente inflamável a alta pressão. claro, é possível utilizar hidrogénio na forma ligada como nas baterias para hidretos de metal. Mas ainda resta a tarefa de sua extração e transporte, porque não há infra-estrutura de postos de abastecimento de hidrogênio.

contudo, Há também uma solução: o combustível líquido à base de hidrocarbonetos podem ser utilizados como uma fonte de hidrogénio. por exemplo, álcool etílico ou metílico. É verdade, aqui você já está necessita de um dispositivo adicional especial: um conversor de combustível, que converte os álcoois em uma mistura de H2 gasoso e CO2 a alta temperatura (para o metanol será algo em torno de 240 ° C).

Fig.2 O princípio de funcionamento de uma célula de combustível de metanol directas

A diferença fundamental entre os elementos de enchimento de hidrogénio e metanol é o catalisador usado. O catalisador na célula de combustível de metanol directas remove os protões directamente a partir de uma molécula de álcool. portanto, o problema de combustível é resolvido: álcool metílico é produzido em série para a indústria química, é fácil de armazenar e transportar e carregar uma célula de combustível em metanol, é suficiente para simplesmente substituir o cartucho com combustível. É verdade, há uma desvantagem: metanol é tóxico. também, a eficiência de uma célula de combustível de metanol directas é significativamente menor do que o de um hidrogénio.

Fig.3. Uma célula de combustível em metanol

A opção mais atraente é a utilização de etanol como combustível, desde a produção e distribuição de bebidas alcoólicas de qualquer composição e força está bem estabelecida em todo o mundo. contudo, a eficiência das células de combustível com base em etanol, infelizmente, É ainda mais baixa do que a de metanol.

Como já foi observado no campo de células de combustível em muitos anos de desenvolvimento, vários tipos de células de combustível foram construídos. As células de combustível são classificados por tipo de combustível e de electrólito.

1. Electrólito de hidrogénio-oxigénio polímero sólido.

2. metanol polimérico células de combustível sólido.

3. Elementos de electrólito alcalino.

4. As células de combustível de ácido fosfórico.

5. As células de combustível de carbonatos fundidos.

6. As células de combustível de óxido sólido.

idealmente, a eficiência das células de combustível é muito alta, mas em termos reais há perdas associadas a processos de não equilíbrio, como perdas óhmicas, devido à condutividade do electrólito e os eléctrodos, polarização activação e perdas de concentração e de difusão. Como resultado, parte da energia gerada nas células de combustível é convertida em calor. Os esforços dos especialistas visam reduzir essas perdas.

A fonte principal é as perdas óhmicas, ea razão para o elevado preço das células a combustível, são as membranas de troca de iões. Eles estão agora à procura de polímeros alternativos de prótons condutores mais baratas. Desde a condutividade destas membranas (eletrólitos sólidos) Ele atinge um valor aceitável (10 Ohm / cm) apenas na presença de água, os gases fornecidos para a necessidade de células de combustível a ser ainda humedecido com um dispositivo especial, o que também torna o sistema mais caro. Nos eléctrodos de difusão de gás catalítico, Alguns são usados ​​principalmente platina e outros metais nobres, e até agora, nenhuma substituição foi encontrado igualmente eficiente. Embora o teor de platina, em células de combustível é de diferente mg / cm2, para grandes baterias sua quantidade atinge dezenas de gramas.

Durante o projeto de células de combustível, É pago muita atenção ao sistema de remoção de calor, desde que a densidade de corrente alta (até 1A / cm2) os superaquece sistema sozinho. para refrigeração, é utilizada a água que circula na célula de combustível por meio de canais especiais e, baixa capacidade, é ventilação usados.

em seguida, além das células de bateria de combustível na mesma, um moderno sistema de um gerador eletroquímico “cresce” com muitos dispositivos auxiliares, venha: bomba, um compressor para o fornecimento de ar, uma entrada de hidrogénio, um humidificador de gás, uma unidade de refrigeração, um sistema de controlo de fugas de gás, um conversor DC para AC e um processador de controle e outra, Tudo isso leva ao fato de que o custo do sistema de célula de combustível durante o período 2004-2005 era 2-3 mil $ / kW. De acordo com especialistas, células de combustível estará disponível para uso em transporte e usinas de energia elétrica estacionários ao preço de 50-100 $ / kW.

Para a introdução de células de combustível na vida cotidiana, juntamente com componentes mais baratos, Devemos esperar por novas ideias e abordagens originais. em particular, grandes esperanças estão associados com o uso de nanomateriais e nanotecnologias. por exemplo, várias empresas anunciaram recentemente a criação de catalisadores super eficiente, particularmente, por um eléctrodo de oxigénio com base em nanopartículas de vários grupos de metais.

Houve relatos de células de combustível projetos desprovidas de membrana em que a célula de combustível é fornecido combustível líquido (tais como metanol) juntamente com um agente oxidante. Um conceito interessante é o conceito desenvolvido elementos de biocombustíveis que operam na água poluída e consome oxigénio dissolvido como um agente oxidante e impurezas orgânicas como combustível.

primeiro, é necessário resolver o problema da miniaturização das células de combustível. afinal de contas, menor é a célula de combustível, menor será o poder que será capaz de fornecer, então eles estão constantemente a ser desenvolvidos novos catalisadores e eletrodos que permitem, em tamanhos pequenos, para maximizar a superfície de trabalho.

Os mais recentes desenvolvimentos no campo da nanotecnologia e nanomateriais (por exemplo nanotubos) eles são úteis.

A segunda questão importante que precisa ser abordado é o preço. na verdade, como um catalisador na maioria das células de combustível, É usado platina muito caro. novamente, alguns fabricantes estão tentando aproveitar ao máximo a tecnologia de silício já bem desenvolvido.

Os investigadores demonstraram a possibilidade de produção de hidrogénio a partir de água e armazená-lo a direita entre os átomos de carbono do grafeno. Para alcançar este objectivo “mini-fábrica” hidrogênio, Eles usaram uma superfície revestida de níquel de grafeno. “Combinando as propriedades dos dois materiais”, Afirmar, “o dispositivo funciona como um catalisador que quebra as moléculas de água e divide-os em átomos de hidrogénio e grupos hidroxilo (OH)”. O hidrogénio produzido é então absorvida sobre o mesmo grafeno, que, em seguida, ele fornece um sistema natural de armazenamento à temperatura ambiente. Para libertar o hidrogénio, apenas aquecer o grafeno a temperaturas de cerca 130 ° C.

News of the primeiro de dezembro do ano que acaba de terminar, baterias Bosch irá desenvolver células de combustível na cidade de Wuxi, no leste da China, a fim de abastecer o mercado local emergente para veículos de célula de combustível.

Nós não deve ter que ir ao exterior para encontrar esta tecnologia, em Piedmont estão experimentando alimentado por combustível células trens.

Como você pode ver a solução definitiva é ao virar da esquina, mas muitos estão lutando para encontrar, Isto é o que acontece com todos os que ainda não amadurecem tecnologias.