Hvordan fungerer brændselscellen (del 1)

Indledning

Det er muligt, at der er masser af nyheder om brændselsceller er kommet til deres opmærksomhed sidst. Ifølge diverse nyhedsindslag, er det sandsynligt, at i den nærmeste fremtid, vi gør brug af ny teknologi til generering af elektrisk energi, vi bruger i vores biler og hjem. Teknologien er meget interessant for os alle og i alle faser af livet, fordi det giver mulighed for at få energien mere effektivt og mindre forurening. Men hvordan sker det?

I denne artikel, revision, som vi alle lidt teknologier brændselscelle, de eksisterende og nye. Vi vil beskrive, hvordan det fungerer, og drøfte de mulige anvendelser.

Fra et teknisk synspunkt, er en brændselscelle en anordning til elektrokemisk energi-konverter. Brændselscellen konverterer kemikalier brint og ilt til vand, og genererer elektricitet, mens vi gjorde det. Brændselscellen skal kaldes en brændselscelle, men udtrykket cellen til sidst sejrede.

Et andet elektrokemisk enhed, som vi kender godt er batteriet. Et batteri har alle de kemiske elementer i det, og også konvertere dem til elektricitet. Det betyder, at batteriet dør til sidst, tvinger os til at smide den væk eller genoplade den.

I tilfælde af brændselscelle, kemikalier konstant strøm ind i cellen. Det aldrig dør. Da der er kemikalier flyder, vil den elektricitet, strøm fra brændselsceller. I øjeblikket er de fleste brændselsceller bruge brint og ilt.

Brændselscellen vil konkurrere med mange andre typer af forarbejdningsvirksomheder af energi, herunder gas-turbiner på kraftværket genererer elektricitet fra din by, benzinmotor af din bil og batteriet på din bærbare computer. Forbrændingsmotorer som møllen og benzinmotor brænde brændstof og bruge den pression, der opstår ved en udvidelse af de gasser at gøre mekanisk arbejde. Batterier konvertere kemisk energi tilbage til elektrisk energi, når det bliver nødvendigt. Brændselsceller gør disse opgaver mere effektivt.

Brændselscellen giver DC (jævnstrøm), som kan bruges til motorer, lamper og andre elektriske apparater.

Der er mange typer af brændselsceller, hver med en kemisk proces, der er ansvarlig for driften. De er generelt klassificeret efter den type elektrolyt, de anvender. Nogle typer af brændselsceller fungerer godt i stationære elproduktion. Andre kan være nyttige for små bærbare applikationer eller til drift biler.

Brændselscellen membran til proton-udveksling (PEMFC) er en af de mest lovende teknologier. Det er den type brændselscelle, der vil ende op kraftoverførsel biler, busser, og måske endda vores hjem. Den PEMFC bruger en af de enkleste reaktioner brændselscelle. Lad os først se på, hvad der udgør en brændselscelle membran proton udveksling (PEM):

Figur 1 kan ses, at der er 4 grundlæggende elementer i en PEMFC:

• Anoden, negative pol brændselscelle, der spiller flere roller. Det foretager de elektroner, der frigøres fra brint molekyler, der skal anvendes i den ydre kredsløb. Det har tv-kanaler at sprede brintgas, ligeligt over overfladen af katalysatoren.
• I mellemtiden katoden, den positive pol i brændselscelle, har kanaler, som distribuerer ilt på overfladen af katalysatoren. Det udfører også de elektroner tilbage fra det ydre kredsløb til katalysatoren, hvor de kan kombinere med brint ioner og ilt og danner vand.
• Elektrolytten er proton udveksling membran. Dette er specielt behandlede materiale, der ligner plastikfolie fælles køkken og kun foretager positivt ladede ioner. Membranen blokke elektroner.
• Katalysator er et særligt materiale, der letter reaktionen mellem ilt og brint. Det er som regel lavet af platin pulver meget tyndt coates karbonpapir eller porøse stof. Katalysator er ru og porøs, således at det maksimale areal af platin er udsat for brint og ilt. Den platin-coatede side af katalysatoren ansigter i PEM.

I figur 2, tryk brint gas (H2) ind i brændselscellen på anoden side. Denne gas er tvunget igennem katalysatoren. H2-molekyle, når den er i kontakt med platin-katalysator er opdelt i 2 H +-ioner og 2 elektroner. De elektroner, der foretages gennem anoden, at deres vej gennem det ydre kredsløb (gør et nyttigt arbejde, som at sætte en motor), og vende tilbage til katode siden af brændselscelle.

I mellemtiden er på katoden side af brændselscelle, ilt (O2) tvinges gennem katalysator, hvor den udgør 2 ilt atomer. Hver af disse atomer har en stærk negativ ladning. Denne negative ladning tiltrækker 2 H +-ioner over membranen, som kombineres med et iltatom og 2 af elektroner fra eksterne kredsløb til at danne et molekyle vand (H2O).

Denne reaktion, der forekommer i en enkelt brændselscelle producerer kun omkring 0,7 volt. At øge spændingen til et rimeligt niveau, må mange separate brændselsceller kombineres til et batteri af brændselsceller.

PEMFCs køre med en forholdsvis lav temperatur (ca. 176 grader Fahrenheit eller 80 grader celsius), hvilket betyder, at de kan varme op hurtigt og ikke kræver dyre indeslutning strukturer. Konstante forbedringer i teknik og materialer, der anvendes i disse celler har øget energitæthed, således at enheder på størrelse med små kufferter har været i stand til at flytte biler.

Problemer af brændselsceller:

I det sidste afsnit, så vi, at en brændselscelle bruger ilt og brint til at producere elektricitet. Den ilt, der kræves for en brændselscelle kommer fra luften, derefter i en PEM-brændselscelle, den almindelig atmosfærisk luft pumpes ind i katoden. Men, brint er ikke så let tilgængelige. Der er nogle begrænsninger, der gør det umuligt for de fleste applikationer. For eksempel er der en brint rørledning, der kommer til dit hus, det er heller ikke muligt at bruge hydrogen bomber på tankstationen.

Brint er svært at blive opbevaret og distribueret. Det ville være meget mere praktisk, hvis brændselsceller kunne bruge brændsler til rådighed lettere. Dette problem er løst ved en anordning, der kaldes en reformator, der konverterer kulbrintebrændstoffer til brint eller alkohol, som derefter kan bruges til at forsyne den brændselscelle. Desværre reformatorer er ikke perfekte, varme og producere andre gasser foruden brint. De bruger forskellige anordninger til at rense den brint, men stadig ikke kan producere ren brint, hvilket reducerer effektiviteten af brændselscellen.

Naturgas, propan og methanol betragtes som brændstof mest sandsynlige anvendelse. Der er allerede mange boliger og bygninger serviceres af naturgas eller propan tanke, således at disse brændstoffer er de mest sandsynlige anvendelse af brændselsceller i hjemmet. Methanol er et flydende brændstof med samme egenskaber som benzin (let at transportere og distribuere) og derfor en sandsynlig kandidat til at levere strøm af biler af brændselsceller.

Mål af brændselsceller:

Reduktion af forurening er et af de prioriterede mål for brændselscelle. I forhold til en bil brændselscelle med en benzin og et batteri er let at se, hvordan brændselsceller kan forbedre effektiviteten af biler.

Da de 3 typer af biler har de samme komponenter (dæk, transmission mv.), Lad os afsat disse aspekter og sammenligne de effektivitetsgevinster til det punkt, hvor mekanisk energi er genereret. Vi vil starte bilen brændselscelle.

Som brændselscelle er drevet med ren brint, potentielt, kunne det have en effektivitet på 80%. Det er, det konverterer 80% af den energi, der er indeholdt i brint til elektrisk energi. Men, som vi så i det foregående afsnit, er vanskeligt at opbevare brint i bilen. Når vi tilføjer en reformator at konvertere metanol til brint, den samlede effektivitet falder til et interval mellem 30 og 40%.

Vi har stadig brug for at omdanne elektrisk energi til mekanisk arbejde. Dette gøres ved at den elektriske motor og inverter. Rimelig effektivitet for motoren / frekvensomformeren er omkring 80%. Så vi har 30 til 40% effektivitet i omdanne methanol til el og 80% effektivitet i konvertering af elektricitet til mekanisk energi. Dette giver en samlet virkningsgrad på mellem 24% og 32%.

Gå til den anden del.

Kilde: Karim Nice, oversat af HowStuffWorks Brasilien.