Come funziona la pila a combustibile (parte 1)

Introduzione

E 'possibile che un sacco di notizie su celle a combustibile sono giunti alla loro attenzione ultimamente. Secondo le notizie varie, è probabile che nel prossimo futuro dovremo fare uso delle nuove tecnologie per produrre energia elettrica che consumiamo nelle nostre auto e case. La tecnologia è estremamente interessante per tutti noi e in tutte le fasi della vita, perché fornisce i mezzi per ottenere energia in modo più efficiente e meno inquinamento. Ma come avviene questo?

In questo articolo, passiamo in rassegna tutti un po 'le tecnologie delle celle a combustibile, le esistenti ed emergenti. Ci dettaglio come funziona e discutere delle sue possibili applicazioni.

Dal punto di vista tecnico, una cella a combustibile è un dispositivo per il convertitore di energia elettrochimica. La cella a combustibile converte l'idrogeno prodotti chimici e ossigeno in acqua, e genera elettricità mentre lo fate. La cella a combustibile dovrebbe essere chiamata una cella a combustibile, ma la cella termine alla fine ha prevalso.

Un altro dispositivo elettrochimico che conosciamo bene la batteria. Una batteria ha tutti gli elementi chimici all'interno di esso, e anche li converte in energia elettrica. Ciò significa che la batteria muore alla fine, ci costringe a buttare via o ricaricarla.

Nel caso della cella a combustibile, le sostanze chimiche in costante flusso nella cella. E non muore mai. Poiché non vi sono prodotti chimici che scorre, il flusso di elettricità da celle a combustibile. Attualmente, la maggior parte utilizza celle a combustibile a idrogeno e ossigeno.

Le celle a combustibile saranno in concorrenza con molti altri tipi di convertitori di energia, comprese le turbine a gas della centrale di produzione di energia elettrica dalla tua città, il motore a benzina della vostra auto e la batteria del vostro portatile. Motori a combustione, come la turbina e il motore a benzina bruciano combustibili e utilizzare la pressione creata dalla espansione dei gas di fare un lavoro meccanico. Batterie convertono l'energia chimica in energia elettrica, quando ciò sia necessario. Le celle a combustibile rendono questi compiti in modo più efficiente.

Le celle a combustibile fornisce corrente continua (corrente) che può essere utilizzato per i motori di potenza, lampade ed altri apparecchi elettrici.

Ci sono molti tipi di celle a combustibile, ciascuna con un processo chimico responsabile del suo funzionamento. Sono generalmente classificate in base al tipo di elettrolita utilizzato. Alcuni tipi di celle a combustibile funzionano bene in generazione stazionaria di energia elettrica. Altre possono essere utili per le piccole applicazioni portatili o per l'alimentazione di autoveicoli.

La membrana delle celle a combustibile per lo scambio protonico (PEMFC) è una delle tecnologie più promettenti. Questo è il tipo di cella a combustibile che finirà per alimentare le automobili, autobus, e forse anche le nostre case. Il PEMFC utilizza una delle reazioni più semplici della cella a combustibile. In primo luogo, diamo un'occhiata a ciò che costituisce una cella a combustibile a membrana di scambio protonico (PEM):

Figura 1 si può vedere che ci sono 4 elementi fondamentali di una PEMFC:

• L'anodo, polo negativo della pila a combustibile che gioca ruoli diversi. Conduce gli elettroni liberati dalle molecole di idrogeno per essere utilizzata nel circuito esterno. Essa dispone di canali che disperdere il gas di idrogeno anche sulla superficie del catalizzatore.
• Nel frattempo il catodo, il polo positivo della pila a combustibile, ha canali che distribuiscono l'ossigeno sulla superficie del catalizzatore. Conduce anche gli elettroni ritorno dal circuito esterno del catalizzatore, dove possono ricombinarsi con gli ioni idrogeno e ossigeno per formare acqua.
• L'elettrolito è la membrana a scambio protonico. Questo materiale sottoposto a trattamento speciale involucro di plastica che assomiglia cucina comune e solo conduce ioni caricati positivamente. La membrana blocchi di elettroni.
• Il catalizzatore è un materiale speciale che facilita la reazione tra l'ossigeno e l'idrogeno. Di solito è fatto di polvere di platino molto sottile su carta patinata di carbonio o tessuto poroso. Il catalizzatore è ruvida e porosa, in modo che la superficie massima di platino è esposto a idrogeno e ossigeno. Il platino lato rivestito del catalizzatore di fronte al PEM.

Nella Figura 2, il gas sotto pressione di idrogeno (H2) che entrano nella cella a combustibile sul lato anodo. Questo gas viene forzato attraverso il catalizzatore. La molecola H2 a contatto con il catalizzatore al platino è divisa in 2 ioni H + e 2 elettroni. Gli elettroni sono condotti attraverso l'anodo, si fanno strada attraverso il circuito esterno (facendo un lavoro utile, come mettere un motore) e tornare al catodo della cella a combustibile.

Nel frattempo, sul lato catodo della cella a combustibile, gas di ossigeno (O2) viene forzato attraverso il catalizzatore, dove moduli da 2 atomi di ossigeno. Ciascuno di questi atomi ha una forte carica negativa. Questa carica negativa attrae 2 H + ioni attraverso la membrana, che si combinano con un atomo di ossigeno e il 2 di elettroni dal circuito esterno per formare una molecola di acqua (H2O).

Questa reazione, che si verificano in una singola cella a combustibile produce solo circa 0,7 volt. Per aumentare la tensione ad un livello ragionevole, molte celle a combustibile separata deve essere combinate per formare una batteria di celle a combustibile.

PEMFCs funzionare ad una temperatura piuttosto bassa (circa 176 gradi Fahrenheit o 80 gradi Celsius), il che significa che essi possono riscaldarsi rapidamente e non necessitano di strutture di contenimento costosi. Il continuo miglioramento nel settore dell'ingegneria e dei materiali utilizzati in queste cellule hanno aumentato la densità di energia in modo che i dispositivi delle dimensioni di piccole valigie sono stati in grado di muovere le automobili.

Problemi di celle a combustibile:

Nell'ultima sezione, abbiamo visto che una cella a combustibile utilizza l'ossigeno e l'idrogeno per produrre elettricità. L'ossigeno necessario a una cella a combustibile viene dal cielo, poi in una cella a combustibile PEM, l'aria comune atmosferica viene pompato il catodo. Tuttavia, l'idrogeno non è così facilmente disponibili. Ci sono alcune limitazioni che rendono impraticabile per la maggior parte delle applicazioni. Ad esempio, vi è una conduttura di idrogeno venire a casa tua, né è possibile utilizzare bombe all'idrogeno presso la stazione di gas.

L'idrogeno è difficile essere conservati e distribuiti. Sarebbe molto più conveniente se le celle a combustibile potrebbero utilizzare i combustibili a disposizione più facilmente. Questo problema viene risolto da un dispositivo chiamato un riformatore che converte idrocarburi in idrogeno o alcol, che può quindi essere utilizzato per alimentare le celle a combustibile. Purtroppo, i riformatori non sono perfetti, generano calore e di altri gas oltre a produrre idrogeno. Essi utilizzano vari dispositivi per purificare l'idrogeno, ma ancora non può produrre idrogeno puro, riducendo l'efficienza della cella a combustibile.

Il gas naturale, propano e metanolo sono considerati come il carburante applicazione più probabile. Ci sono già molte case ed edifici serviti da gas naturale o di bombole di propano, in modo che tali carburanti sono l'uso più probabile per le celle a combustibile a casa. Il metanolo è un carburante liquido con proprietà simili a benzina (di facile trasporto e distribuzione) e quindi un probabile candidato per le vetture di alimentazione delle celle a combustibile.

Obiettivi di celle a combustibile:

Ridurre l'inquinamento è uno degli obiettivi prioritari della cella a combustibile. In confronto a una cella a combustibile con un auto a benzina e una batteria è facile vedere come le celle a combustibile in grado di migliorare l'efficienza delle automobili.

Come i 3 tipi di automobili hanno gli stessi componenti (pneumatici, trasmissione, ecc.) Lasciamo da parte questi aspetti e confrontare le efficienze fino al punto in cui l'energia meccanica viene generato. Inizieremo la cella a combustibile per auto.

Come la cella a combustibile è alimentato con idrogeno puro, potenzialmente, potrebbe avere un rendimento del 80%. Che è, converte l'80% dell'energia contenuta nell'idrogeno in energia elettrica. Tuttavia, come abbiamo visto nel paragrafo precedente, è difficile da immagazzinare l'idrogeno in macchina. Quando si aggiunge un riformatore per convertire metanolo a idrogeno, le gocce di efficienza complessiva di un range compreso tra 30 e 40%.

Abbiamo ancora bisogno di convertire l'energia elettrica in lavoro meccanico. Questo viene fatto dal motore elettrico ed inverter. Ragionevole grado di efficienza per il motore / inverter è di circa l'80%. Così abbiamo 30-40% di efficienza nella conversione di metanolo in energia elettrica e 80% di efficienza nella conversione dell'energia elettrica in energia meccanica. Questo dà un rendimento complessivo tra il 24% e 32%.

Vai alla seconda parte.

Fonte: Karim Nizza, tradotto da HowStuffWorks Brasile.