Metodă de protecție împotriva oxidării plăcilor bipolare și a colectoarelor de curent ale electrolizatorilor și pilelor de combustibil cu electrolit polimeric solid. Dana Celule de combustibil Electrodul bipolar proiectat în celule de combustibil

ENERGIE ELECTROCHIMICĂ. 2009. T. 9, nr. 3. P.161-165

UDC 66.02; 536,7;

METODE PENTRU TRATAREA SUPRAFEȚEI A PLĂCILOR BIPOLARE DE TITANIU CU CELULE DE COMBUSTIBIL DE HIDROGEN

M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov *, V. P. Kharitonov *

Institutul pentru Probleme Energetice Noi, JIHT RAS, Moscova, Rusia * CJSC "Rimos", Moscova, Rusia E-mail: [e-mail protejat]

Primit la 11 iunie 2009

Articolul este dedicat studiului efectului tratamentelor de suprafață ale plăcilor bipolare (BP) asupra caracteristicilor electrice specifice pilelor de combustibil (FC). Studiile au fost efectuate pe plăci pe bază de titan. Sunt luate în considerare două metode de procesare a TA: aurirea electrochimică și implantarea ionică a carbonului. Trimis de scurte descrieri tehnologiile date, precum și metodologia și rezultatele experimentelor. Se arată că atât aurirea, cât și aliajul cu carbon al suprafeței BP din titan îmbunătățesc caracteristicile electrice ale FC-urilor. Scăderea relativă a rezistenței ohmice a FC în comparație cu plăcile de titan fără acoperiri a fost de 1,8 pentru placarea cu aur electrochimică și de 1,4 pentru implantarea ionilor.

Cuvinte cheie: pile de combustie hidrogen-aer, plăci bipolare pe bază de titan, implantare de carbon, spectroscopie de impedanță.

Lucrarea este dedicată cercetării influenței prelucrărilor superficiale ale plăcilor bipolare (BP) asupra caracteristicilor electrice specifice combustibilului ce) (s (FC). Cercetările au fost efectuate pe plăci pe baza titanului. Două metode de procesare a TA sunt luate în considerare: aurirea electrochimică și implantarea ionică a carbonului. În lucrare sunt prezentate scurte descrieri ale tehnologiilor rezultate, precum și o tehnică și rezultatele experimentelor. În lucrare se arată că, după aurire și implantare ionică, carbonul titanic BP caracteristicile electrice FC se îmbunătățesc. Reducerea relativă a rezistenței ohmice FC în comparație cu plăcile titanice „pure” au constituit 1,8 pentru aurirea electrochimică și 1,4 pentru implantarea ionică.

Cuvinte cheie: pile de combustie hidrogen-aer, plăci bipolare pe bază de titan, implantare de carbon, spectroscopie de impedanță.

INTRODUCERE

În prezent, în lume sunt utilizate două tipuri principale de materiale pentru BP: BP din compozite polimerice de carbon sau grafit și BP metalic.

Cercetările din domeniul surselor de alimentare cu grafit au condus la o îmbunătățire semnificativă a proprietăților lor fizico-chimice și a caracteristicilor specifice. Sursele de alimentare pe bază de grafit sunt mai rezistente la coroziune decât cele metalice, dar principalul lor dezavantaj este încă rezistența lor mecanică slabă, care împiedică utilizarea lor în celule de combustie pentru transport și centrale portabile portabile.

În acest sens, metalele au mai multe avantaje fără îndoială față de materialele din carbon. Acestea se caracterizează prin conductivitate termică și electrică mai mare, absența porilor, etanșeitatea la gaze și rezistență mecanică ridicată. Alimentatoarele metalice sunt, de asemenea, mai economice decât alimentatoarele grafite. Cu toate acestea, toate avantajele de mai sus ale metalelor sunt în mare parte reduse de dezavantaje precum rezistența redusă la coroziune și rezistența ridicată la contact cu straturile de difuzie a gazului de carbon (GDS).

Cel mai promițător metal ca material pentru fabricarea BP este titanul. Lucrarea prezintă câteva avantaje ale alimentatoarelor din titan. Titanul are proprietăți mecanice bune, iar contaminarea cu ioni de titan nu este dăunătoare catalizatorului Unității de electrod cu membrană (MEA). Rezistența la coroziune a titanului este, de asemenea, una dintre cele mai ridicate dintre metale; totuși, într-un mediu agresiv FC, titanul trebuie totuși protejat de coroziune. Un factor suplimentar în căutarea acoperirilor pentru titan este rezistența ridicată la contact cu HDS de carbon.

Laboratorul nostru (Laboratorul de energie aluminiu-hidrogen al Institutului mixt pentru temperaturi ridicate al Academiei de Științe din Rusia) este angajat în dezvoltarea surselor de alimentare portabile bazate pe celule de combustibil hidrogen-aer (VHTE). Titanul a fost ales ca material BP, inclusiv în virtutea celor de mai sus. Lucrările efectuate de noi anterior au confirmat necesitatea de a căuta acoperiri și / sau metode de prelucrare suplimentară.

O modalitate bine cunoscută de a proteja suprafața titanului este placarea cu aur. Această acoperire crește rezistența la coroziune și reduce rezistența ohmică a FC, ceea ce duce la o îmbunătățire a caracteristicilor sale electrice. Cu toate acestea, această tehnologie este suficientă

©, 2009

M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov, V. P. Kharitonov

costisitoare, în principal datorită utilizării metalelor prețioase.

În această lucrare, pe lângă aurirea electrochimică, este luată în considerare o metodă de fabricare a unei TA din titan cu prelucrarea ulterioară a acesteia prin metoda implantării ionice. Aliajul cu carbon al suprafeței BP creează o protecție suplimentară împotriva coroziunii și reduce rezistența la contact cu carbon HDS. Această tehnologie promite să reducă costurile de fabricație a unei unități de alimentare cu energie electrică, menținând în același timp caracteristici electrice ridicate.

Lucrarea prezintă rezultatele experimentelor care compară caracteristicile electrice ale surselor de alimentare realizate din titan "pur" (adică fără acoperiri), din titan acoperit electrochimic cu aur și din titan dopat cu carbon prin metoda implantării ionice.

1. TEHNICA EXPERIMENTALĂ

Curba curent-tensiune și impedanța FC au fost alese ca caracteristici electrice cu ajutorul cărora au fost comparate metodele menționate mai sus de fabricare a unei unități de alimentare din titan. Experimentele au fost efectuate pe un contor de impedanță specializat Z-500PX (cu funcții de potențostat) de la Elins LLC. FC a fost încărcat cu o sarcină electronică încorporată în impedanță într-un mod potențiostatic la tensiuni de 800, 700, 600 și 500 mV. La fiecare tensiune, TE a fost ținut timp de 2000 s pentru a ajunge la o stare staționară, urmată de o măsurare a impedanței. În fiecare caz, după expunere și

Când TE a ajuns la starea staționară, au fost înregistrate 5 hodografe. La măsurarea impedanței, amplitudinea semnalului de tensiune sinusoidală perturbatoare a fost de 10 mV, intervalul de frecvență a fost de 105-1 Hz. Valorile staționare au fost folosite pentru a trasa curbe volt-ampere.

Toate experimentele au fost efectuate pe test de model special realizat IWTE (Fig. 1). Celula de testare este o singură MEA amplasată între două plăci colectoare, care sunt analogi ale plăcilor finale din bateriile FC. Dimensiunea generală plăci colectoare - 28x22 mm, grosime - 3 mm fiecare. Pentru confortul colectării curentului, plăcile au „cozi” speciale de 4x4 mm. Dimensiunea suprafeței active este de 12x18 mm (2,16 cm2). Hidrogenul este furnizat către MEA prin placa colectorului de anod și se propagă în funcție de un câmp de flux dat pe suprafața activă a acestei plăci. Aerul alimentează VHTE datorită convecției naturale. Placa colector de catod are 4 canale cu diametrul de 2 mm, cu fante în suprafața activă. Lungimea canalului prin care circulă aerul este de 22 mm. MEA cu trei elemente au fost realizate din Mayop 212, cu un consum de catalizator de platină de 0,2 mg / cm2 la anod și 0,5 mg / cm2 la catod.

Testul VVTE a fost asamblat din aceleași componente, cu excepția plăcilor colectoare. Trei perechi de plăci colectoare de curent au fost realizate din titan VT1-0. Prima pereche a constat din titan periat „pur”

Orez. 1. Testați TE într-o stare pliabilă. Detalii de la stânga la dreapta: placă colector anod, etanșare, anod GDS, MEA, catod GDS, etanșare, placă colector catod; fund - șuruburi și piulițe de fixare

plăci, adică fără acoperiri și orice prelucrare suplimentară. Al doilea a fost acoperit cu aur gros de 3 µm printr-un substrat de nichel gros de 2 µm prin metoda electrochimică standard. A treia pereche a fost dopată cu carbon prin implantare de ioni.

Procesul tehnologic de implantare a ionilor este cunoscut de aproximativ 50 de ani. Se bazează pe introducerea ionilor de materie accelerată în materialul țintă pentru a schimba proprietățile fizico-chimice ale suprafeței sale. Implantarea ionică a BP-urilor de titan și a plăcilor de capăt a fost efectuată la un stand specializat al RIMOS CJSC. Standul este un injector cu capacitatea de a crea fascicule de ioni accelerate din diferite substanțe într-un vid ridicat fără ulei. Plăcile de titan implantate pe acest suport au rezistență ridicată la coroziune și continuitate de aliere. Plăcile de titan au fost supuse tratamentului cu fascicul de ioni la o energie ionică de 20 keV, o doză de implantare de 1018 cm-2 și o temperatură a articolului procesat de 300 ° C ± 10 ° C.

Doza de implantare a carbonului a fost măsurată de-a lungul adâncimii profilului de distribuție al unei plăci de titan la sol prin spectrometrie de masă ionică secundară folosind echipamentul CAMECA 1M84B (Franța). Curba de distribuție a concentrației de carbon în titan este prezentată în Fig. 2. Conform figurii, adâncimea stratului de suprafață al carbonului este de 200 ^ 220 nm, ceea ce este suficient pentru a obține în mod fundamental proprietăți fizico-chimice ale suprafeței BP.

1016 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Adâncime, μm

Orez. 2. Curbă de distribuție a concentrației de carbon în titan

2. REZULTATE ȘI DISCUȚII

În fig. 3 prezintă curbele curent-tensiune și curbele de densitate a puterii corespunzătoare pentru FC-uri cu diverse plăci colectoare. Valorile absolute ale curentului și puterii sunt legate de suprafața activă a MEA, care este de 2,16 cm2. Din figură rezultă în mod clar că atât aliajarea cu carbon, cât și aurirea electrochimică duc la o îmbunătățire a caracteristicilor specifice pilelor de combustibil. Trebuie remarcat faptul că caracteristicile curent-tensiune reflectă simultan pierderile de activare, ohmice și de difuzie în FC. Pierderile de activare sunt asociate cu depășirea barierei energetice a reacțiilor electrodului, pierderile ohmice sunt suma rezistențelor electrice ale fiecăruia dintre straturile FC conductoare electric și rezistențele de contact dintre ele, iar pierderile de difuzie sunt asociate cu o lipsă de alimentare cu reactiv a MEA regiunea de reacție. În ciuda faptului că în diferite zone de densitate a curentului, de regulă, prevalează unul dintre cele trei tipuri de pierderi enumerate mai sus, curbele curent-tensiune și densitate de putere nu sunt suficiente pentru a evalua cantitativ o metodă particulară de procesare a TA (plăci de capăt) . În cazul nostru, pierderile ohmice ale FC sunt de interes. Pierderile de activare și difuzie din prima aproximare sunt aceleași pentru toate FC: activare datorată utilizării aceluiași MEA cu același consum de catalizator, difuzie datorită aceluiași design al plăcilor colectoare de testare.

Pentru a identifica pierderile ohmice, s-au folosit hodografe de impedanță obținute în cursul experimentelor. Rezultatele acestei părți a experimentelor sunt prezentate în Fig. 4. De exemplu, figurile arată unul dintre cele cinci hodografe luate în fiecare caz după ce TE a ajuns la o stare staționară.

Spectroscopia de impedanță face posibilă cuantificarea pierderilor electrice ale FC-urilor. Lucrările oferă o descriere aceasta metodaîn raport cu TEV. În conformitate cu regulile de interpretare a hodografelor, rezistența ohmică este partea reală a impedanței la frecvențe înalte (/ = 105-104 Hz). Valoarea este selectată în punctul de intersecție al hodografului cu axa abscisei (1m R = 0) în regiunea de înaltă frecvență. De asemenea, folosind hodografe, se găsește capacitatea stratului dublu pe suprafața electrodului / electrolitului. Diametrul semicercului hodograf caracterizează rezistența totală la trecerea sarcinii prin acest strat. În fig. 4 hodografe ale impedanțelor sunt prezentate în gamă

M. S. Vlaskin, E. I. Shkolnikov, E. A. Kiseleva, A. A. Chinenov, V. P. Kharitonov

Orez. 3. Curbele curent-tensiune (a) și curbele corespunzătoare ale densității puterii (b): - - - titan fără acoperiri,

Zh- - titan + C, - ■ - - titan + N1 + Au

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1t, De la 3,8 3,4 3,0 2,6 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Orez. 4. Impedanță FC la polarizare constantă, mV: a - 800, b - 700 c - 600, d - 500: - - titan fără acoperire;

Titan + N1 + Au; o - titan + C

frecvențe de 105-1 Hz, deoarece este demn de remarcat pierderile destul de mari de difuzie ale FC (peste 2 Ohm-cm2). Cu toate acestea, aceasta nu este o consecință a tratamentelor de suprafață ale plăcilor de titan, ci este legată de proiectarea plăcii colectoare a catodului și de condițiile de convecție naturală atunci când aerul este furnizat MEA.

Tabelul prezintă valorile absolute ale rezistențelor ohmice în funcție de polarizarea TE și metoda de procesare a plăcilor colectoare ale acestuia, precum și erorile sistematice ale acestora. Rezultatele indică faptul că aurirea de aproximativ 1,8 ori reduce rezistența ohmică totală comparativ cu titanul fără acoperiri datorită scăderii pierderilor de contact. Dopajul cu ioni de carbon oferă un câștig de „1,4 ori, respectiv. Vedichina interval de încredere indică o precizie ridicată a măsurătorilor valorilor rezistenței ohmice.

Rezistența ohmică a FC (Ohm) cu plăci de colectare a curentului din titan fără acoperiri, din titan acoperit electrochimic cu N1, Au și din titan dopat cu ioni C +, în funcție de polarizarea FC

Eșantion de tensiune TE, mV

Titan neacoperit 0,186 0,172 0,172 0,169

Titan + Ni, Au 0,1 0,098 0,097 0,093

Titan + C 0,131 0,13 0,125 0,122

Astfel, s-a dovedit că atât aurirea, cât și alierea carbonului BP de titan reduc rezistența lor la contact cu HDS de carbon. Placarea plăcilor cu aur se dovedește a fi puțin mai avantajoasă din punct de vedere al caracteristicilor electrice decât prelucrarea lor folosind metoda de implantare a ionilor.

Toate cele de mai sus sugerează că atât una, cât și cealaltă dintre tehnologiile luate în considerare pot fi utilizate pentru procesarea BP din titan.

BIBLIOGRAFIE

1. Middelman E., Kout W, Vogelaar B., Lenssen J., Waal E. de, // J. Surse de putere. 2003. Vol. 118. P. 44-46.

2. Dobrovolsky Yu.A., Ukshe A.E., Levchenko A.V., Arkhangelsky I.V., Ionov S.G., Avdeev V.V., Aldoshin S.M. // Jurnal. A crescut. chim. despre-va le. D.I. Mendeleev. 2006. Vol. 1, nr. 6. S.83-94.

3. S.-Wang H, Peng J., Lui W.-B., Zhang J.-S. // J. Surse de energie. 2006. Vol. 162. P.486-491.

4. Davies D. P., Adcock P. L., Turpin M., Rowen S. J., // J. Appl. Electrochimie. 2000. Vol.30. P.101-105.

5. Shkolnikov E.I., Vlaskin MS, Ilyukhin A.S., Tarasenko A.B., Electrochem. energie. 2007. Vol. 7, nr. 4 S. 175-182.

6. Shkolnikov E.I., Vlaskin MS, Iljukhin A.S., Zhuk A.Z., Sheindlin A.E. // J. Surse de energie. 2008. Vol.185. P.967-972.

7. Fabian T., Posner J. D., O "Hayre R., Cha S.-W., Eaton J. K., Prinz F. B., Santiago J. G. // J. Power Sources. 2006. Vol. 161. P.168-182.

8. Implantarea de ioni în semiconductori și alte materiale: Sat. Artă. M.: Mir, 1980.

9. Pleshivtsev NV, Bazhin AI .. Fizica impactului fasciculelor de ioni asupra materialelor. M.: Carte universitară, 1998.

10. Implantarea de ioni. Moscova: Metalurgie, 1985.

11. Pat. 2096856 RF, IPC: H01J027 / 24, H01J003 / 04 / Mashkovtsev BN .. Metodă de obținere a unui fascicul de ioni și a unui dispozitiv pentru implementarea acestuia.

12. Pat. 2277934 RF, IPC: A61L2 / 00, A61L2 / 14 / Kharitonov V.P., Chinenov A.A., Simakov A.I., Samkov A.V. Dispozitiv pentru prelucrarea razelor de ioni a echipamentelor medicale.

13. Pat. 2109495 RF, IPC: A61F002 / 24 / Joseph N.A., Kevorkova R.A.,. Samkov A.V., Simakov A.I., Kharitonov V.P., Chinenov A.A. Valva cardiacă artificială și metoda de fabricație a acesteia.

14. Cooper K.R., Ramani V., Fenton J.M., Kunz H.R. Metode experimentale și analize de date pentru celule de combustibil cu electroliți polimerici, Scribner Associates, Inc., Illinois, 2005.122 p.

15. Laboratorul Național de Tehnologie Energetică. Fuel Cell Hand Book, ediția a șasea, G&G Services Parsons, Inc. Morgantown, Virginia de Vest, 2002.352 p.

Dezvoltarea celulelor de combustibil este, fără îndoială, cea mai râvnită tehnologie din industria transporturilor de astăzi, deoarece dezvoltatorii cheltuiesc sume colosale de bani în fiecare an, căutând o alternativă viabilă (sau supliment) la motorul cu ardere internă. În ultimii ani, inginerii Dana și-au concentrat capacitățile de producție și tehnice pentru a aborda provocarea de a reduce dependența mașinii de sursele de energie convenționale. De-a lungul istoriei omenirii, principalele surse de energie s-au schimbat de la combustibili solizi (cum ar fi lemnul și cărbunele) la combustibili lichizi (petrol). În următorii ani, mulți cred că produsele gazoase vor deveni treptat sursa dominantă de energie din întreaga lume.

Pe scurt, o celulă de combustibil este un dispozitiv electrochimic în care se află energia reactie chimica transformat direct în electricitate, căldură și cenușă. Acest proces se transformă în latură mai bună eficiență scăzută a conversiei termomecanice tradiționale a purtătorului de energie.

Orez. Mașină cu celule de combustibil

Hidrogenul este primul exemplu de combustibil gazos regenerabil care permite efectuarea unei astfel de reacții și, în cele din urmă, obținerea energie electrica... Și acest proces nu poluează mediul.

Un model tipic de pilă de combustibil cu hidrogen include hidrogenul care curge spre anodul celulei de combustibil, unde moleculele de hidrogen sunt împărțite în electroni și ioni încărcați pozitiv printr-un proces electrochimic în prezența unui catalizator de platină. Electronii merg și ocolesc membrana schimbătoare de protoni (PEM), generând astfel un curent electric. În același timp, ionii de hidrogen pozitivi continuă să difuzeze prin celula de combustibil prin PEM. Electronii și ionii de hidrogen pozitivi se combină apoi cu oxigenul din partea catodului pentru a forma apă și a genera căldură. Spre deosebire de o mașină tradițională cu motor cu ardere, energia electrică este stocată în baterii sau merge direct la motoarele de tracțiune, care la rândul lor conduc roțile.

Una dintre barierele din calea sistemelor cu celule de combustibil este lipsa actuală de infrastructură pentru fabricarea sau furnizarea unor cantități suficiente de hidrogen. Prin urmare, principala problemă nerezolvată rămâne disponibilitatea tipului specific de combustibil utilizat în celula de combustibil. Benzina și metanolul sunt cel mai probabil purtători de energie pentru celulele de combustibil. Cu toate acestea, fiecare combustibil încă se confruntă cu propriile provocări.

Tehnologia este în prezent în curs de dezvoltare pentru plăci bipolare compozite brazate cu plasă, conducte și izolatoare integrate. Inginerii dezvoltă plăci metalice bipolare cu acoperiri speciale, canale de curent la temperaturi ridicate, izolatori pentru temperaturi ridicate și mijloace de protecție la temperaturi ridicate. De asemenea, dezvoltă metode și modele de control pentru procesoare de combustibil, condensatoare de abur, preîncălzitoare și module de răcire cu ventilatoare și motoare integrate. Dezvoltarea soluțiilor continuă să transporte hidrogenul, lichidele carbonice, apa deionizată și aerul în diferite părți ale sistemului. Echipa Dana Filtration dezvoltă filtre de admisie a aerului pentru sistemul cu celule de combustibil.

Se recunoaște că hidrogenul este combustibilul viitorului. De asemenea, este general acceptat faptul că celulele de combustibil vor avea în cele din urmă un impact semnificativ asupra industriei auto.

Mașinile și camioanele cu celule de combustibil auxiliare pentru alimentarea aerului condiționat și a altor echipamente electronice sunt așteptate să intre pe drum în scurt timp.

Orez. Pilele de combustibil de pe o mașină (

Electrozi SOFC produși la ISSP RAS: verde - anod și negru - catod. Celulele de combustibil sunt amplasate pe plăcile bipolare pentru bateriile SOFC

Recent, un prieten de-al meu a vizitat Antarctica. O călătorie amuzantă! - a spus ea, afacerea cu turismul este dezvoltată la fel de mult încât să aducă un călător la locul respectiv și să-l lase să se bucure de splendoarea dură a subpolarului, fără a îngheța până la moarte. Și acest lucru nu este atât de ușor pe cât ar părea - chiar luând în considerare tehnologii moderne: electricitatea și căldura din Antarctica își merită greutatea în aur. Judecați singur, generatoarele diesel convenționale poluează zăpada virgină și necesită o cantitate mare de combustibil, iar sursele regenerabile de energie nu sunt încă foarte eficiente. De exemplu, la stația muzeului, populară printre turiștii din Antarctica, toată energia este generată de forța vântului și a soarelui, dar spațiile muzeului sunt răcoroase, iar patru îngrijitori fac dușuri exclusiv pe nave care aduc oaspeți la ele.

Problemele cu o sursă de alimentare constantă și neîntreruptă sunt familiare nu numai exploratorilor polari, ci și producătorilor și persoanelor care locuiesc în zone îndepărtate.

Ele pot fi rezolvate prin noi modalități de stocare și generare a energiei, printre care sursele de curent chimic par a fi cele mai promițătoare. În aceste mini-reactoare, energia transformărilor chimice este transformată direct în electricitate fără a se transforma în căldură. Astfel, pierderile și, în consecință, consumul de combustibil sunt reduse brusc.

În sursele de energie chimică, pot avea loc reacții diferite și fiecare are propriile sale avantaje și dezavantaje: unele se „dezlipesc” rapid, altele pot funcționa numai în anumite condiții, de exemplu, la temperaturi ultra ridicate sau pe un combustibil strict definit, ca hidrogenul pur. Un grup de oameni de știință de la Institute of Solid State Physics RAS (ISSP RAS) sub conducerea Serghei Bredikhin a făcut un pariu pe așa-numita celulă de combustibil cu oxid solid (SOFC). Oamenii de știință sunt încrezători că, cu o abordare corectă, va fi capabil să înlocuiască generatoarele ineficiente din Arctica. Proiectul lor a fost susținut de federal programul țintă„Cercetare și dezvoltare pentru 2014-2020”.

Sergey Bredikhin, Manager de proiect al programului Federal Target „Dezvoltarea unei tehnologii scalabile de laborator pentru producerea de SOFC planare și conceptul de a crea pe baza lor centrale electrice pentru diverse scopuri și structuri, inclusiv cele hibride, cu fabricarea și testarea unui model experimental la scară mică al unei centrale electrice cu o capacitate de 500 - 2000 W "

Fără zgomot și praf, dar cu dedicare deplină

Astăzi, lupta din sectorul energetic este pentru o producție de energie utilă: oamenii de știință luptă pentru fiecare procent de eficiență. Generatoarele care funcționează pe principiul arderii interne pe combustibili cu hidrocarburi - păcură, cărbune, gaz natural (ultimul tip de combustibil este cel mai ecologic) sunt utilizate pe scară largă. Pierderile în timpul utilizării lor sunt semnificative: chiar și cu optimizarea maximă, eficiența acestor instalații nu depășește 45%. În același timp, în timpul funcționării lor se formează oxizi de azot (NOx) care, atunci când interacționează cu apa din atmosferă, se transformă în acizi destul de agresivi.

Baterie SOFC sub sarcină mecanică

Pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC) nu au astfel de „efecte secundare”. Astfel de instalații au o eficiență mai mare de 50% (și aceasta este doar pentru producția de energie electrică, iar atunci când se ia în considerare puterea termică, eficiența poate ajunge la 85-90%) și nu emit compuși periculoși în atmosferă .

„Aceasta este o tehnologie foarte importantă pentru Arctica sau Siberia, unde ecologia și problemele legate de livrarea combustibilului sunt deosebit de importante. Deoarece SOFC-urile consumă mult mai puțin combustibil, - a explicat Serghei Bredikhin. „Trebuie să lucreze non-stop, așa că sunt foarte potriviți să lucreze la stația polară sau la aerodromul nordic”.

Cu un consum relativ redus de combustibil, o astfel de unitate funcționează și fără întreținere timp de până la 3-4 ani. „Generatorul de motorină, care este cel mai frecvent utilizat astăzi, necesită o schimbare a uleiului la fiecare mie de ore. Iar SOFC funcționează între 10 și 20 de mii de ore fără întreținere ”, a spus Dmitry Agarkov, cercetător junior la ISSP.

De la idee la baterie

Principiul funcționării SOFC este destul de simplu. Ele reprezintă o „baterie” în care sunt colectate mai multe straturi de celule de combustibil cu oxid solid. Fiecare element are un anod și un catod, combustibilul îi este furnizat din partea anodului, iar aerul este furnizat din partea catodului. Este de remarcat faptul că o varietate de combustibili sunt potriviți pentru SOFC, de la hidrogen pur la monoxid de carbon și diverși compuși de hidrocarburi. Ca urmare a reacțiilor care au loc la anod și catod, se consumă oxigen și combustibil și se creează un curent de ioni între electrozi. Când o baterie este încorporată într-un circuit electric, curentul începe să curgă în acel circuit.

Simularea computerizată a distribuției curenților și a câmpurilor de temperatură într-o baterie SOFC cu dimensiunea de 100 × 100 mm.

O caracteristică neplăcută a funcționării SOFC este necesitatea temperaturilor ridicate. De exemplu, o probă colectată la ISSP RAS funcționează la 850 ° C. Generatorul durează aproximativ 10 ore pentru a se încălzi la temperatura de funcționare, dar apoi va funcționa timp de câțiva ani.

Celulele de oxid solid dezvoltate la ISSP RAS vor produce până la doi kilowați de energie electrică, în funcție de dimensiunea plăcii de combustibil și de numărul acestor plăci din baterie. Micile prototipuri de baterii de 50 wați au fost deja asamblate și testate.

O atenție deosebită trebuie acordată plăcilor în sine. O placă este formată din șapte straturi, fiecare cu funcția sa. Două straturi la catod și anod catalizează reacția și permit trecerea electronilor, stratul intermediar ceramic între ele izolează diferite medii (aer și combustibil), dar permite trecerea ionilor de oxigen încărcați. În acest caz, membrana însăși trebuie să fie suficient de puternică (ceramica de această grosime se deteriorează foarte ușor), prin urmare ea însăși constă din trei straturi: cel central oferă necesarul proprietăți fizice- conductivitate ionică ridicată; - și straturi suplimentare aplicate pe ambele părți conferă rezistență mecanică. Cu toate acestea, o singură celulă de combustibil este foarte subțire - nu mai mult de 200 microni grosime.

Straturi SOFC

Dar o singură celulă de combustibil nu este suficientă - întregul sistem trebuie așezat într-un recipient rezistent la căldură care să reziste la funcționare timp de câțiva ani la o temperatură de 850 ° C. Apropo, în cadrul proiectului, oamenii de știință de la Institutul de fizică a statelor solide din Academia Rusă de Științe folosesc acoperiri dezvoltate în cursul unui alt proiect pentru a proteja elementele structurale metalice.

„Când am început acest proiect, ne-am confruntat cu faptul că nu aveam nimic în țara noastră: fără materii prime, fără adezivi, fără etanșanți”, a spus Bredikhin. - A trebuit să ne ocupăm de toate. Am făcut simulări, am practicat pe pilule de combustie mici în formă de pilulă. Am aflat ce ar trebui să fie în ceea ce privește compoziția și configurația și cum sunt localizate. "

În plus, trebuie luat în considerare faptul că celula de combustibil funcționează într-un mediu cu temperatură ridicată. Aceasta înseamnă că este necesar să se asigure etanșeitatea, să se verifice dacă la temperatura țintă materialele nu vor reacționa între ele. O sarcină importantă a fost „sincronizarea” extinderii tuturor elementelor, deoarece fiecare material are propriul său coeficient liniar de expansiune termică, iar dacă ceva nu este convenit, contactele se pot desprinde, etanșanții și adezivii se pot rupe. Cercetătorii au primit un brevet pentru fabricarea acestui element.

Spre implementare

Acesta este probabil motivul pentru care grupul Bredikhin de la ISSP a construit mai întâi un întreg sistem de pregătire pas cu pas a materialelor, apoi a plăcilor și, în cele din urmă, a pilelor de combustibil și a generatoarelor. Pe lângă această aripă aplicată, există și o direcție care se ocupă de știința fundamentală.

În cadrul pereților ISSP, se efectuează un control scrupulos al calității fiecărui lot de celule de combustibil

Partenerul principal în acest proiect este Centrul Științific de Stat Krylov, care acționează ca dezvoltator principal al centralei electrice, inclusiv dezvoltarea documentației de proiectare necesare și fabricarea „hardware-ului” la fabrica sa pilot. O parte din muncă este realizată și de alte organizații. De exemplu, o membrană ceramică care separă catodul și anodul este produsă de compania Novosibirsk NEVZ-Keramiks.

Apropo, participarea centrului de construcții navale la proiect nu este întâmplătoare. Un alt domeniu promițător al aplicației SOFC pot fi submarinele și dronele subacvatice. De asemenea, este extrem de important pentru ei cât timp pot fi complet offline.

Partenerul industrial al proiectului, Fundația Energie Fără Frontiere, poate organiza producția de loturi mici de generatoare de doi kilowați pe baza Centrului Științific Krylov, dar oamenii de știință speră la o extindere semnificativă a producției. Potrivit dezvoltatorilor, energia obținută în generatorul SOFC este competitivă chiar și pentru uz casnic în colțurile îndepărtate ale Rusiei. Costul kW * oră pentru aceștia este de așteptat să fie de aproximativ 25 de ruble, iar cu costul actual al energiei în Yakutia până la 100 de ruble pe kW * oră, un astfel de generator pare foarte atractiv. Piața a fost deja pregătită, Sergei Bredikhin este sigur, principalul lucru este să aibă timp să se dovedească.

Între timp, companiile străine introduc deja generatoare bazate pe SOFC. Liderul în această direcție este American Bloom Energy, care produce instalații de 100 de wați pentru centre de calcul puternice ale unor companii precum Google, Bank of America și Walmart.

Avantajul practic este clar - centrele de date imense alimentate de astfel de generatoare trebuie să fie independente de întreruperile de curent. Dar, în afară de asta, firmele mari se străduiesc să mențină imaginea companiilor progresiste care țin la mediu.

Dar, în Statele Unite, se bazează pe plățile guvernamentale mari pentru dezvoltarea unor astfel de tehnologii „verzi” - până la 3.000 de dolari pentru fiecare kilowat de capacitate produsă, care este de sute de ori mai mare decât finanțarea pentru proiectele rusești.

Există încă o zonă în Rusia în care utilizarea generatoarelor SOFC pare foarte promițătoare - protecția catodică a conductelor. În primul rând, vorbim despre conductele de gaz și petrol, care se întind pe sute de kilometri prin peisajul nelocuit din Siberia. S-a constatat că atunci când tensiunea este aplicată unei țevi metalice, aceasta este mai puțin susceptibilă la coroziune. Acum stațiile de protecție catodică funcționează pe generatoare termice, care trebuie monitorizate constant și a căror eficiență este de doar 2%. Singurul lor merit este costul redus, dar dacă te uiți pe termen lung, ia în considerare costul combustibilului (și sunt alimentați de conținutul conductei), iar acest „merit” al lor pare neconvingător. Cu ajutorul stațiilor bazate pe generatoare SOFC, este posibil să se organizeze nu numai o alimentare neîntreruptă a tensiunii către conductă, ci și transmiterea energiei electrice pentru sondaje telemetrice ... Se spune că Rusia fără știință este o conductă. Se pare că chiar și această conductă fără știință și noi tehnologii este o conductă.

Invenția se referă la domeniul electrotehnicii și poate fi utilizată în pilele de combustibil. Placa bipolară a celulei de combustibil include o placă, un spațiu de curgere a fluidului format pe ambele părți ale plăcii și o grilă de ghidare a fluidului instalată în spațiul de curgere a fluidului. Pe placă se formează un canal de intrare conectat la spațiul de curgere a fluidului și un canal de ieșire conectat la spațiul de curgere a fluidului. Placa bipolară este fabricată utilizând o matriță specifică și o prelucrare adecvată. Rezultatul este o distribuție mai uniformă a debitelor și o scădere a rezistenței la fluxurile de combustibil și aer care curg, respectiv, în electrodul de combustibil și electrodul de aer al celulei de combustibil. În plus, zona de reacție cu ansamblul membrană-electrod și zona de difuzie poate fi mărită, iar fabricația poate fi simplificată și facilitată, 6 N. și 14 c.p. f-ly, 16 bolnavi.

Zona tehnologică

Invenția se referă la o celulă de combustibil și, în special, la o placă bipolară a unei celule de combustibil și la o metodă pentru a face o astfel de placă capabilă de uniformitate în distribuția debitelor, să reducă rezistența la fluxurile de combustibil și, respectiv, de aer în combustibil. electrodul și electrodul de aer al celulei de combustibil și simplifică fabricarea acestuia ...

De ultimă oră

Celula de combustibil generează în general energie ecologică și a fost creată pentru a înlocui energia tradițională a combustibililor fosili. Așa cum se arată în Fig. 1, o celulă de combustibil include un teanc 100 care trebuie combinat cu cel puțin o unitate de celulă 101 în care are loc o reacție electrochimică; o linie de alimentare cu combustibil 200 conectată la teancul 100 astfel încât să furnizeze combustibil; un canal de alimentare 300 conectat la pachetul 100 astfel încât să furnizeze aer; și țevile de eșapament 400, 500 pentru evacuarea subproduselor din reacția continuă a combustibilului și, respectiv, a aerului. Celula unitară 101 include un electrod de combustibil (anod) (neprezentat) căruia i se furnizează combustibil; și un electrod de aer (catod) (neprezentat) la care este furnizat aer.

În primul rând, combustibilul și aerul sunt furnizate electrodului de combustibil și electrodului de aer al stivei 100 prin conducta de alimentare cu combustibil 200 și, respectiv, cu conducta de aer de alimentare 300. Combustibilul furnizat electrodului de combustibil este ionizat în ioni pozitivi și electroni (e-) printr-o reacție de oxidare electrochimică la electrodul de combustibil, ionii pozitivi ionizați se deplasează prin electrolit către electrodul de aer, iar electronii se deplasează către electrodul de combustibil. Ionii pozitivi transferați la electrodul de aer suferă o reacție de reducere electrochimică cu aerul furnizat electrodului de aer și generează subproduse precum căldura de reacție și apa etc. În acest proces, pe măsură ce electronii se mișcă, electricitatea este generată. Combustibilul după reacția la electrodul de combustibil, precum și apa și subprodusele suplimentare generate la electrodul de aer, sunt descărcate prin liniile de evacuare 400, respectiv 500.

Celulele de combustibil pot fi clasificate în diferite tipuri în funcție de electrolitul și combustibilul lor etc.

Între timp, așa cum se arată în figura 2, elementul unitar 101 care constituie stiva 100 include două plăci bipolare 10 având un pasaj 11 deschis prin care curge aer sau combustibil; și un ansamblu de electrozi cu membrană (MEA, din engleză "membrane electrode assembly" sau MEA) 20, plasat între aceste două plăci bipolare 10 astfel încât să aibă o anumită grosime și suprafață. Două plăci bipolare 10 și plasate între ele MEA 20 sunt combinate între ele prin mijloace suplimentare 30, 31 ale uniunii. Canalul format de canalul 11 ​​al plăcii bipolare 10 și partea laterală a MEA 20 constituie electrodul de combustibil, iar atunci când combustibilul curge prin acest canal al electrodului de combustibil, are loc o reacție de oxidare. În plus, canalul format de canalul 11 ​​al celeilalte plăci bipolare 10 și cealaltă parte a MEA 20 constituie un electrod de aer și o reacție de reducere are loc atunci când aerul curge prin acest canal al electrodului de aer.

Forma plăcii bipolare 10, în special forma canalului 11, afectează rezistența la contact asigurată de fluxul de combustibil și aer și distribuția fluxului și altele asemenea, iar rezistența de contact și distribuția fluxului afectează puterea de ieșire (energie eficienţă). În plus, plăcile bipolare 10 sunt modelate pentru a facilita fabricarea și producția în serie.

Așa cum se arată în Fig. 3, într-o placă bipolară convențională, se formează găuri 13, 14, 15, 16, respectiv, la fiecare margine a plăcii 12 având o anumită grosime și o formă dreptunghiulară.

În plus, o multitudine de canale 11 sunt formate pe partea laterală a plăcii 12 astfel încât să se conecteze orificiul 13 prin diagonala prin orificiul 16. Aceste canale 11 au o formă de zigzag. Așa cum se arată în Fig. 4, în secțiunea transversală a canalului 11, acest canal 11 are o anumită lățime și grosime și o parte deschisă. Pe cealaltă parte a plăcii 12, mai multe canale 11 sunt formate astfel încât să se conecteze două dispuse diagonal prin găurile 14, 16, aceste canale 11 având aceeași formă cu canalele formate pe partea opusă.

Următoarele descriu funcționarea unei plăci bipolare convenționale. În primul rând, combustibilul și aerul curg în orificiile de trecere 13, respectiv 14, iar combustibilul și aerul care trec prin orificiile de trecere 13, 14 curg în canalele 11. Combustibilul sau aerul din canalele 11 curge în zig-zag de-a lungul canalele 11 și este descărcat în exterior prin orificiile de trecere 15, 16. În acest proces, în MEU 20 (prezentat în Fig. 2), în care curge combustibilul, are loc o reacție de oxidare și, în același timp, reacția de reducere are loc în MEU în care curge aerul.

Cu toate acestea, în cazul plăcii bipolare convenționale, deoarece canalele 11 sunt formate într-un model în zigzag, fluxul poate fi distribuit uniform doar într-o anumită măsură. Mai mult, deoarece canalele prin care fluxul de combustibil și aer sunt complexe și lungi, rezistența la flux crește și, prin urmare, pierde presiunea pentru crearea fluxului de combustibil și aer crește. În plus, din moment ce proces tehnologic fabricația este complexă și greoaie, iar costurile de fabricație sunt ridicate.

Esența tehnică a prezentei invenții

Pentru a rezolva problemele descrise mai sus, un obiect al prezentei invenții este de a furniza o placă bipolară a unei celule de combustibil și o metodă pentru realizarea unei astfel de plăci capabile de uniformitate a distribuției fluxului, reducerea rezistenței la fluxul de combustibil și aerul care curge în electrodul de combustibil și respectiv electrodul de aer al celulei de combustibil și simplifică fabricarea acestuia.

Pentru a realiza obiectivele de mai sus, placa bipolară a celulei de combustibil include o placă având o grosime și o suprafață specifice; un spațiu de curgere a fluidului format pe ambele părți ale plăcii astfel încât să aibă o lățime, lungime și adâncime specifice; o plasă de direcție a fluidului instalată în spațiul de curgere a fluidului astfel încât să aibă o formă specifică; o intrare formată pe placă astfel încât să fie conectată la spațiul de curgere a fluidului și să primească fluidul; și o ieșire formată pe placă astfel încât să fie conectată la spațiul de curgere a fluidului și să descarce fluidul.

În plus, o metodă pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil include fabricarea unei matrițe pentru tratarea unei plăci pe care se formează un spațiu de curgere a fluidului având o anumită zonă și adâncime pe ambele părți, iar un canal interior este format prin intermediul unui plasă de sprijin care iese în formă de plasă din spațiul fluxului de fluid; formarea plăcii folosind această matriță; tratarea plăcii pentru a forma o intrare astfel încât să permită curgerea fluidului să curgă într-un spațiu de curgere a fluidului având o rețea de sprijin; și tratarea plăcii pentru a forma o ieșire astfel încât să permită scurgerea din spațiul de curgere a fluidului.

În plus, placa bipolară a celulei de combustibil include o placă având o grosime și o suprafață specifice; o regiune de canal având proeminențe de grilă adiacente unei multitudini de fante de grătar formate de-a lungul unei anumite regiuni a ambelor părți ale plăcii; o intrare formată pe partea laterală a plăcii astfel încât să fie conectată la canelurile de rețea din regiunea canalului și să primească un fluid; și o ieșire formată pe partea laterală a plăcii astfel încât să descarce fluidul care trece prin canelurile din grătar ale regiunii canalului.

În plus, o metodă pentru fabricarea unei plăci bipolare cu pilă de combustibil include realizarea unei plăci având o grosime și o suprafață specifice; efectuarea prelucrării pentru a forma caneluri de rețea adiacente proeminențelor de rețea formate pe ambele părți ale plăcii; și prelucrarea plăcii pentru a forma intrarea și ieșirea astfel încât acestea să fie conectate la fantele de rețea.

În plus, placa bipolară a celulei de combustibil include o placă având o anumită grosime și o zonă în care, pe ambele părți laterale din mijloc, se formează mai multe treceri prin presare, compuse din mai multe urcări și coborâșuri, astfel încât acestea să aibă o lățimea și lungimea specifică; și un element de etanșare respectiv atașat la conturul ambelor părți ale plăcii astfel încât să formeze canale interne împreună cu canalele plăcii, o intrare și o ieșire prin care fluidul curge în și din aceste canale.

În plus, o metodă pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei pile de combustie include tăierea plăcii la o anumită dimensiune; apăsarea ambelor părți ale plăcii tăiate astfel încât să se formeze mai multe canale prin care curge fluidul; și integrarea elementului de etanșare cu conturul plăcii presate.

Scurtă descriere a desenelor

Desenele însoțitoare, care sunt incluse pentru a furniza o mai bună înțelegere a invenției, sunt încorporate în și fac parte din această specificație, ilustrează exemplele de realizare ale invenției și împreună cu descrierea servesc la explicarea principiilor invenției.

În aceste desene:

Fig. 1 ilustrează sistem tradițional celule de combustibil;

Fig. 2 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează o porțiune dintr-un teanc convențional de celule de combustibil;

Fig. 3 este o vedere de sus care ilustrează o placă bipolară a unei celule de combustibil convenționale;

Fig. 4 este o vedere în secțiune transversală de-a lungul liniei AB din Fig. 3;

5 este o vedere de sus care ilustrează un prim exemplu de realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție;

6 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează o porțiune a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu un prim exemplu de realizare a prezentei invenții;

7 este o diagramă bloc care ilustrează un prim exemplu de realizare a unei metode pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție;

8 este o vedere în perspectivă explodată care ilustrează o stivă de plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu o primă variantă de realizare a prezentei invenții;

Fig. 9 este o vedere de sus ilustrând conditii de lucru o placă bipolară a unei celule de combustibil în conformitate cu prima realizare a prezentei invenții;

10 și 11 sunt vederi în secțiune transversală superioară și frontală care ilustrează un al doilea exemplu de realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție;

12 este o diagramă bloc care ilustrează un al doilea exemplu de realizare a unei metode pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție;

Fig. 13 este o vedere de sus care ilustrează o stare de funcționare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu un al doilea exemplu de realizare a prezentei invenții;

14 și 15 sunt vederi în secțiune transversală superioară și frontală care ilustrează un al treilea exemplu de realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție; și

Fig. 16 este o diagramă bloc care ilustrează un al treilea exemplu de realizare a unei metode pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție.

În primul rând, va fi descrisă o primă realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil conform prezentei invenții.

Figura 5 este o vedere de sus care ilustrează o primă variantă de realizare a unei plăci de pilă de combustibil bipolare conform prezentei invenții, iar FIG. ...

Așa cum se arată în figurile 5 și 6, o primă variantă de realizare a unei plăci bipolare cu pilă de combustibil conform prezentei invenții include o placă 40 având o grosime și o suprafață specifice; un spațiu de curgere a fluidului 41 format pe ambele părți ale plăcii 40 astfel încât să aibă o lățime, lungime și adâncime specifice; o rețea 42 a direcției fluidului, instalată în spațiul 41 al fluxului fluidului astfel încât să aibă o formă specifică; o intrare 43 formată pe placa 40 conectată la spațiul de curgere a fluidului 41 pentru introducerea fluidului; și o ieșire 44 formată pe placa 40 în comunicație cu spațiul de curgere a fluidului 41 pentru evacuarea fluidului.

Placa 40 are o formă dreptunghiulară și o anumită grosime, spațiul de curgere a fluidului 41 este format, respectiv, pe ambele părți ale plăcii dreptunghiulare 40 și are o formă dreptunghiulară și o anumită adâncime. Placa 40 este fabricată din material din oțel inoxidabil. Placa 40 și spațiul de curgere a fluidului 41 pot avea alte forme în afară de formă dreptunghiulară.

Plasa de direcție a fluidului 42 are o formă dreptunghiulară mai mică decât spațiul de curgere a fluidului 41, astfel încât să poată fi introdusă în spațiul de curgere a fluidului 41 al plăcii 40 și are o grosime nu mai mare decât adâncimea spațiului de curgere a fluidului 41 ...

Orificiul de intrare 43 este realizat sub forma a cel puțin o gaură de trecere și este format pe o parte a plăcii 40. Orificiul de ieșire 43 este realizat sub forma a cel puțin o gaură de trecere și este format pe partea opusă de intrarea 43 astfel încât să fie diagonală în raport cu această intrare 43.

7 este o diagramă bloc care ilustrează un prim exemplu de realizare a unei metode pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție.

Așa cum se arată în Fig. 7, în prima variantă de realizare a metodei pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție, este fabricată o matriță pentru prelucrarea unei plăci, pe care un spațiu de curgere a fluidului are o anumită zonă și adâncimea este formată de ambele părți și plasă care iese în spațiul de curgere a fluidului. Ulterior, placa este prelucrată folosind această matriță. În acest caz, un spațiu de curgere a fluidului dreptunghiular având o anumită adâncime este format în placa de pe ambele părți ale plăcii dreptunghiulare având o anumită adâncime și se formează o plasă în spațiul de curgere a fluidului astfel încât să formeze un canal. Această plasă poate fi formată având diferite forme.

Placa este apoi prelucrată pentru a oferi o intrare astfel încât să permită curgerea fluidului să curgă în spațiul de curgere a fluidului furnizat de plasă și procesată pentru a oferi un orificiu de ieșire astfel încât să permită curgerea din spațiul de curgere a fluidului. Canalul de admisie și respectiv canalul de ieșire sunt realizate sub formă de cel puțin o gaură de trecere sau o canelură deschisă.

În primul rând, plăcile bipolare ale celulei de combustibil sunt stivuite împreună. Mai detaliat, așa cum se arată în Fig. 8, MEA (M) sunt plasate între plăcile bipolare (BP) și sunt combinate între ele prin intermediul mijloacelor de combinare (nereprezentate). În acest caz, spațiul de curgere a fluidului 41 format pe partea plăcii bipolare (BP), grila de direcție a fluidului 42 formată în spațiul de curgere a fluidului 41 și partea MEA (M) formează o cale (canal) de-a lungul căreia fluxurile de combustibil. Cealaltă parte a MEA (M), spațiul 41 al fluxului de fluid format pe partea celeilalte plăci bipolare (BP) orientate către prima placă bipolară (BP) și grila 42 a direcției fluidului format în spațiul 41 al fluxului fluidului este format cale (canal) prin care curge aerul.

Cu această structură, când combustibilul este furnizat la intrarea 43 a plăcii bipolare (BP) așa cum se arată în FIG. 9, combustibilul din intrarea 43 curge în spațiul de curgere a fluidului 41. Mai mult, combustibilul din spațiul de curgere a fluidului 41 este distribuit (distribuit) în spațiul de fluid 41 de rețeaua de ghidare a fluidului 42 dispusă în spațiul de curgere a fluidului 41, iar apoi acest combustibil este descărcat în exterior prin ieșirea 44.

În acest proces, rețeaua 42 a direcției fluidului în spațiul 41 al fluxului de fluid îndeplinește nu numai funcția de ghidare prin distribuirea uniformă a combustibilului în spațiul 41 al fluxului fluidului, ci și o „difuzie” "funcție (funcție de difuzie) cu reglarea corespunzătoare a densității fluxului. În acest caz, distribuția și presiunea pot fi ajustate în funcție de dimensiunea „celulelor” direcției rețelei 42 a fluidului. Între timp, datorită formării rețelei 42 a direcției fluidului sub formă de rețea, zona de contact cu MEA (M) în contact cu placa bipolară (BP) este relativ redusă și, în consecință, zona efectivă de contact a combustibilului și crește MEA (M).

În plus, aerul curge prin același proces descris mai sus.

În cazul metodei de fabricare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil conform primului exemplu de realizare a prezentei invenții, prin fabricarea plăcii cu o matriță, aceasta poate fi ușor produsă în masă. Mai detaliat, realizând o placă cu o grilă de susținere și formând o intrare și o ieșire, placa bipolară poate fi fabricată simplu și ușor.

10 și 11 sunt vederi în secțiune transversală superioară și frontală care ilustrează un al doilea exemplu de realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție.

Așa cum se arată în figurile 10 și 11, o placă bipolară a unei celule de combustibil conform unui al doilea exemplu de realizare a invenției include o placă 50 având o grosime și o suprafață specifice; o regiune de canal 53 având proeminențe de rețea 52 adiacente unei multitudini de fante de rețea 51 formate de-a lungul unei regiuni specifice a ambelor părți ale plăcii 50; o intrare 54 formată pe o parte a plăcii 50 astfel încât să fie conectată la canelurile rețelei 51 a regiunii 53 a canalului de injecție a fluidului; și o ieșire 55 formată pe această parte a plăcii 50 astfel încât să descarce fluidul care trece prin canelurile de rețea 51 ale regiunii de canal 53.

Placa 50 are o formă dreptunghiulară și o anumită grosime. Regiunea de canal 53 este formată respectiv pe ambele părți ale plăcii 50 astfel încât să aibă o formă dreptunghiulară. Placa 50 și regiunea canalului 53 pot fi formate pentru a avea diferite forme pe lângă faptul că sunt dreptunghiulare.

Proeminențele de rețea 52 sunt formate sub forma unui con dreptunghiular și fiecare canelură de rețea 51 este formată între proeminențele de rețea 52 în formă de con dreptunghiular. Proeminența rețelei 52 poate fi formată pentru a avea o formă de con triunghiular.

Proeminențele de rețea 52 sunt spațiate în mod regulat. Într-o singură modificare, proeminențele rețelei 52 pot fi dispuse într-o manieră neregulată.

Intrarea 54 și ieșirea 55 sunt formate, respectiv, pe o parte a plăcii 50 pentru a avea o formă deschisă cu o lățime și adâncime specifice. În plus, intrarea 54 și ieșirea 55 pot fi formate, respectiv, ca cel puțin o gaură de trecere.

Placa bipolară a celulei de combustibil conform celei de-a doua variante a prezentei invenții este realizată din oțel inoxidabil.

12 este o diagramă bloc care ilustrează un al doilea exemplu de realizare a unei metode pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție.

Așa cum se arată în figura 12, în metoda de fabricare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu un al doilea exemplu de realizare a prezentei invenții, primul pas este fabricarea unei plăci având o grosime și o suprafață specifice. O a doua etapă de prelucrare este apoi efectuată pentru a forma canelurile de grilaj adiacente proeminențelor de grilaj de pe ambele părți ale plăcii. Această a doua etapă include subetape de crestare a ambelor părți ale plăcii pentru a forma proeminențele de rețea; și măcinarea ambelor părți crestate ale plăcii. Proeminențele din zăbrele formate de crestătură au forma unui con dreptunghiular, dar pot fi formate în alte forme, în afară de forma conului dreptunghiular. Prin crestătură, canelurile de rețea se formează printre proeminențele de rețea, iar canelurile de rețea formează canale prin care curge fluidul. Prin măcinare, este posibil să se îndepărteze bavurile cauzate de crestătură și să se proceseze capetele ascuțite (vârfurile) crestelor din zăbrele, astfel încât acestea să fie tocite.

În cele din urmă, al treilea pas constă în prelucrarea plăcii pentru a forma intrarea și ieșirea, astfel încât acestea să fie conectate la canelurile din rețea.

Plăcile bipolare ale celulei de combustibil sunt asamblate într-un teanc. În acest caz, regiunea de canal 53 formată pe o parte a plăcii bipolare (BP) și partea MEA (M) formează o cale (canal) de-a lungul căreia curge combustibilul. Cealaltă parte a MEA (M) și partea celeilalte plăci bipolare (BP), orientate spre prima placă bipolară (BP), formează o cale (canal) prin care curge aerul.

Cu această structură, când combustibilul este furnizat la intrarea 54 a plăcii bipolare (BP) așa cum se arată în FIG.13, combustibilul din intrarea 54 curge pe întreaga regiune a canalului 53 de-a lungul unei căi (canal) formată din (y) caneluri de rețea 51 în regiunea 53 de canale, iar apoi acest combustibil este descărcat în exterior prin canalul de ieșire 55.

În acest proces, datorită formei mici și uniforme a unei astfel de rețele formate din canelurile rețelei 51 formate de proeminențele rețelei 52 în regiunea canalului 53, fluidul nu poate fi distribuit uniform, ci și dispersat. În acest caz, datorită proeminențelor de rețea 52 formate în regiunea 53 a canalului, zona de contact a plăcii bipolare (BP) și MEA (M) este relativ redusă, iar zona de contact efectivă a combustibilului iar MEA (M) crește.

În plus, aerul curge prin același proces descris mai sus.

În cazul metodei de fabricare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil conform celei de-a doua variante a prezentei invenții, prin prelucrarea unei plăci dreptunghiulare având o anumită grosime pe ambele părți pentru a forma o intrare și o ieșire printr-o rolă etc. , fabricarea este simplă și rapidă.

14 și 15 sunt vederi în secțiune transversală superioară și frontală care ilustrează un al treilea exemplu de realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție.

Așa cum se arată în figurile 14 și 15, o placă bipolară a unei celule de combustibil conform unui al treilea exemplu de realizare a prezentei invenții include o placă 60 având o anumită grosime și o zonă în care sunt formate canale multiple 61 pe ambele părți laterale în mijloc prin presare, constând din numeroase urcări și coborâri, astfel încât să aibă o anumită lățime și lungime; și un element de etanșare 65, atașat respectiv la conturul ambelor părți ale plăcii 60 astfel încât să formeze canalele 62a, 62b, 62 c împreună cu canalele 61 ale plăcii 60, o intrare 63 și o ieșire 64 prin care curge fluidul în și în afara.

Placa 60 are forma unei plăci metalice dreptunghiulare, iar canalele 61 sunt formate într-o anumită regiune interioară a acestei plăci metalice dreptunghiulare. intervale regulate. Când placa 60 este presată, canalele 61 sunt formate respectiv pe ambele părți ale plăcii 60, iar canalele 61 au aceeași adâncime.

Elementul de etanșare 65 are o formă dreptunghiulară și o anumită lățime și are aceeași grosime ca înălțimea ascensiunii canalului 61 și are aceeași dimensiune ca placa 60. Înălțimea ascensiunii canalului 61 este aproximativ 2,5 mm.

O intrare 63 prin care curge fluidul este formată pe o parte a elementului de etanșare 65 și o ieșire 64 este formată pentru a fi opusă intrării 63.

Pasajul interior format din elementul de etanșare 65 include un pasaj tampon de intrare 62a pentru distribuirea fluidului prin pasajele 61 ale plăcii 60; o ieșire tampon 62b pentru a permite fluidului care trece prin canalele 61 ale plăcii 60 să curgă în ieșirea 64; și un pasaj de conectare 62c pentru conectarea intrării tampon 62a și a ieșirii tampon 62b.

Fig. 16 este o diagramă bloc care ilustrează un al treilea exemplu de realizare a unei metode pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil în conformitate cu prezenta invenție.

Așa cum se arată în Fig. 16, în metoda de fabricare a unei plăci de pilă de combustibil bipolare conform celei de-a treia variante a prezentei invenții, primul pas este obținerea plăcii 60 prin tăierea unei plăci metalice având o grosime și o suprafață specifice conform o dimensiune specifică, iar al doilea pas este apăsarea plăcii 60 astfel încât să se formeze mai multe canale 61 pe ambele părți ale plăcii 60. Placa metalică 60 are o formă dreptunghiulară.

Canalele 61 ale plăcii 60 sunt făcute drepte și au o anumită lungime, iar înălțimea ascensiunii canalelor 61 este aceeași. Canalul 61 al plăcii 60 poate avea diferite forme în secțiune transversală, cum ar fi o formă de undă sau o formă dreptunghiulară.

Al treilea pas este de a combina elementul de etanșare 65 cu conturul plăcii presate 60. Elementul de etanșare 65 este format sub forma unui distanțier dreptunghiular având o lățime și grosime specifice, iar acest element de etanșare 65 este combinat cu conturul placa 60 astfel încât să înconjoare regiunea interioară a plăcii 60. și, prin urmare, sunt formate canalele 62a, 62b, 62c. Intrarea 63 și ieșirea 64 sunt formate pe elementul de etanșare 65. Intrarea 63 și ieșirea 64 pot fi formate prin tăierea unei porțiuni din elementul de etanșare 65.

Așa cum este descris mai sus în prima variantă de realizare a prezentei invenții, stiva de pilă de combustibil este asamblată. În acest caz, creșterile canalului drept 61 format pe partea plăcii bipolare (BP) și partea MEA (M) formează o cale (canal) de-a lungul căreia curge combustibilul. Cealaltă parte a MEA (M) și coborârile canalelor drepte 61 formate pe partea celeilalte plăci bipolare (BP) orientate spre prima placă bipolară (BP) formează o cale (canal) prin care curge aerul.

Cu această structură, când combustibilul este furnizat la intrarea 63 a plăcii bipolare (BP), combustibilul din intrarea 63 curge prin această cale, și anume intrarea tampon 62a, canalul de conectare 62c, canalul 61 și ieșirea tamponului 62b . Ulterior, combustibilul este evacuat în exterior prin orificiul de ieșire 64. În plus, aerul curge prin același proces descris mai sus.

În plus, în prezenta invenție, prin fabricarea unei plăci metalice prin prelucrare prin presare, fabricarea este simplă și rapidă. În plus, prin reducerea grosimii plăcii bipolare, dimensiunea și greutatea ambalajului pot fi reduse.

Aplicabilitate industrială

Așa cum s-a descris mai sus, în cazul unei plăci bipolare a unei celule de combustibil și a metodei sale de fabricație conform prezentei invenții, prin uniformizarea fluxurilor de combustibil și respectiv de aer, care curg în electrodul de combustibil și electrodul de aer al celulei de combustibil, crescând zona efectivă reacția cu MEI și creșterea zonei de difuzie, puterea (eficiența energetică) poate fi crescută. Prin reducerea rezistenței la fluxul de combustibil și aer, pierderea de presiune care generează fluxul de combustibil și aer poate fi redusă, i. E. forta de pompare. În plus, prin simplificarea și facilitarea producției, costurile de producție pot fi reduse semnificativ și, prin urmare, este posibilă producția în serie.

1. Placă bipolară a unei celule de combustibil care conține o placă având o anumită grosime și suprafață; un spațiu de curgere a fluidului format pe ambele părți laterale ale plăcii, spațiul de curgere a fluidului fiind format pentru a avea o anumită lățime, lungime și adâncime; o rețea de direcție a fluidului instalată în spațiul de curgere a fluidului, rețeaua de direcție a fluidului având o formă specifică; o intrare formată pe placă în comunicație cu spațiul de curgere a fluidului pentru introducerea fluidului; și o ieșire formată pe placă în comunicație cu spațiul de curgere a fluidului pentru evacuarea fluidului.

2. Placă bipolară conform revendicării 1, în care spațiul de curgere a fluidului este format pentru a avea o formă dreptunghiulară, iar plasa de direcție a fluidului are formă dreptunghiulară nu mai mare decât dimensiunea spațiului de curgere a fluidului.

3. O placă bipolară conform revendicării 1, în care grila de direcție a fluidului are o grosime nu mai mare decât adâncimea spațiului de curgere a fluidului.

4. Placă bipolară conform revendicării 1, în care intrarea și ieșirea sunt formate respectiv ca cel puțin o gaură de trecere și sunt formate pe partea plăcii.

5. Placă bipolară conform revendicării 1, în care intrarea și ieșirea sunt dispuse în diagonală una față de cealaltă.

6. Placă bipolară conform revendicării 1, în care placa este realizată din material din oțel inoxidabil.

7. O metodă de fabricare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil, inclusiv realizarea unei matrițe pentru prelucrarea plăcii, pe care se formează un spațiu de curgere a fluidului având o anumită zonă și adâncime pe ambele părți și o plasă care iese în spațiul de curgere a fluidului este formata; realizarea plăcii folosind această matriță; tratarea plăcii pentru a forma o orificiu de admisie pentru intrarea unui fluid într-un spațiu de curgere a fluidului; și tratarea plăcii pentru a forma o ieșire pentru curgerea fluidului din spațiul de curgere a fluidului.

8. Placă bipolară a unei celule de combustibil care conține o placă având o anumită grosime și suprafață; o regiune de canal având proeminențe de grilă adiacente unei multitudini de fante de grătar formate de-a lungul unei anumite regiuni a ambelor părți ale plăcii; o admisie formată pe partea laterală a plăcii conectate la canelurile de rețea pentru introducerea unui fluid; și o ieșire formată pe partea laterală a plăcii conectate la canelurile rețelei pentru evacuarea fluidului în canelurile rețelei.

9. Placă bipolară conform revendicării 8, în care proeminența rețelei este formată pentru a avea o formă de con dreptunghiular.

10. Placă bipolară conform revendicării 8, în care proeminențele zăbrelelor sunt formate la intervale regulate.

11. Placă bipolară conform revendicării 8, în care intrarea și ieșirea sunt formate respectiv pe partea laterală a plăcii pentru a avea o formă deschisă cu o lățime și adâncime specifice.

12. Placă bipolară conform revendicării 8, în care placa este realizată din material din oțel inoxidabil.

13. O metodă de realizare a unei plăci bipolare a unei celule de combustibil, inclusiv realizarea unei plăci având o grosime și o suprafață specifice; efectuarea prelucrării pentru a forma caneluri de rețea adiacente proeminențelor de rețea formate pe ambele părți ale plăcii; și tratarea plăcii făcând intrarea și ieșirea conectate la sloturile de rețea.

14. Metodă conform revendicării 13, în care etapa de prelucrare include etapele următoare de: crestarea ambelor părți ale plăcii pentru a forma proeminențe de rețea; și măcinarea ambelor părți crestate ale plăcii.

15. Placă bipolară a unei celule de combustibil, care cuprinde: o placă având o anumită grosime și zonă, în care pe ambele părți laterale din mijloc prin presare s-au format canale multiple, constând din mai multe coborâri și coborâri astfel încât să aibă o anumită lățime și lungime ; și un element de etanșare atașat respectiv la conturul ambelor părți ale plăcii astfel încât să formeze canale interne împreună cu canalele plăcii, o intrare și o ieșire prin care fluidul curge în și în afara canalelor.

16. Placă bipolară conform revendicării 15, în care canalele interne includ un canal tampon de intrare pentru distribuirea fluidului prin canalele plăcii; un canal tampon de ieșire pentru a permite fluidului care curge prin canalele plăcii să curgă în canalul de ieșire; și un pasaj de conectare pentru conectarea intrării tamponului și a ieșirii tamponului.

17. O metodă pentru fabricarea unei plăci bipolare a unei celule de combustibil, inclusiv tăierea plăcii la o anumită dimensiune; prelucrarea prin presare a ambelor părți ale plăcii tăiate astfel încât să se formeze mai multe canale prin care curge fluidul; și integrarea elementului de etanșare cu conturul plăcii presate.

18. Metodă conform revendicării 17, în care în etapa de presare, ridicările formate din canale sunt prelucrate pentru a avea aceeași înălțime.

Invenția se referă la domeniul electrotehnicii și poate fi utilizată în pilele de combustibil

Statele Unite au adoptat mai multe inițiative pentru a dezvolta celule de combustibil cu hidrogen, infrastructură și tehnologii pentru a face vehiculele cu celule de combustibil practice și economice până în 2020. Peste un miliard de dolari au fost alocați în aceste scopuri.

Pilele de combustibil generează electricitate în liniște și în mod eficient, fără a polua mediul înconjurător. Spre deosebire de sursele de energie care utilizează combustibili fosili, produsele secundare ale pilelor de combustibil sunt căldura și apa. Cum functioneaza?

În acest articol, vom revizui pe scurt fiecare dintre tehnologiile de combustibil existente astăzi, precum și vom vorbi despre proiectarea și funcționarea pilelor de combustibil și le vom compara cu alte forme de producere a energiei. De asemenea, vom discuta despre unele dintre obstacolele cu care se confruntă cercetătorii pentru a face pilele de combustibil practice și accesibile pentru consumatori.

Pilele de combustie sunt dispozitive de conversie a energiei electrochimice... O celulă de combustibil transformă substanțele chimice, hidrogenul și oxigenul în apă, în procesul de generare a energiei electrice.

Un alt dispozitiv electrochimic pe care îl cunoaștem cu toții este bateria. Bateria are tot ce este necesar elemente chimiceîn sine și transformă aceste substanțe în electricitate. Aceasta înseamnă că bateria „moare” în cele din urmă și fie o aruncați, fie o reîncărcați.

Într-o celulă de combustibil, substanțele chimice curg constant în ea, astfel încât să nu „moară” niciodată. Electricitatea va fi generată atât timp cât există un flux de substanțe chimice în element. Majoritatea pilelor de combustibil utilizate astăzi folosesc hidrogen și oxigen.

Hidrogenul este cel mai abundent element din galaxia noastră. Cu toate acestea, hidrogenul practic nu există pe Pământ în forma sa elementară. Inginerii și oamenii de știință trebuie să extragă hidrogen pur din compuși de hidrogen, inclusiv combustibili fosili sau apă. Pentru a extrage hidrogen din acești compuși, trebuie să cheltuiți energie sub formă de căldură sau electricitate.

Invenția pilelor de combustibil

Sir William Grove a inventat prima celulă de combustibil în 1839. Grove știa că apa poate fi separată în hidrogen și oxigen trecând prin el un curent electric (un proces numit electroliză). El a sugerat că, în ordine inversă, ar putea fi obținute energie electrică și apă. El a creat o celulă de combustibil primitivă și a numit-o baterie gaz galvanică... Experimentând noua sa invenție, Grove și-a dovedit ipoteza. Cincizeci de ani mai târziu, oamenii de știință Ludwig Mond și Charles Langer au inventat termenul celule de combustibil atunci când încercăm să construim un model practic pentru generarea de electricitate.

Celula de combustibil va concura cu multe alte dispozitive de conversie a energiei, inclusiv turbine cu gaz la centralele electrice din oraș, la motoarele cu combustie internă din mașini, precum și la tot felul de baterii. Motoarele cu ardere internă, cum ar fi turbinele cu gaz, ard o varietate de combustibili și folosesc presiunea creată de expansiunea gazelor pentru a efectua lucrări mecanice. Bateriile transformă energia chimică în energie electrică atunci când este nevoie. Pilele de combustibil trebuie să îndeplinească aceste sarcini mai eficient.

Celula de combustibil furnizează tensiune continuă (curent continuu) care poate fi utilizată pentru alimentarea motoarelor electrice, a iluminatului și a altor aparate electrice.

Există mai multe tipuri diferite de celule de combustibil, fiecare dintre acestea utilizând un proces chimic diferit. Pilele de combustie sunt de obicei clasificate în funcție de Temperatura de Operareși tipelectrolit, pe care le folosesc. Unele tipuri de celule de combustie sunt potrivite pentru utilizarea în centralele staționare. Altele pot fi utile pentru dispozitive portabile mici sau pentru alimentarea automobilelor. Principalele tipuri de pile de combustie includ:

Pila de combustie cu membrană schimbătoare de polimeri (PEMFC)

PEMFC este considerat cel mai probabil candidat pentru aplicații de transport. PEMFC are o putere mare și o temperatură de funcționare relativ scăzută (variind de la 60 la 80 de grade Celsius). O temperatură de funcționare scăzută înseamnă că celulele de combustibil se pot încălzi rapid pentru a începe să genereze energie electrică.

Pilă de combustibil cu oxid solid (SOFC)

Aceste celule de combustibil sunt cele mai potrivite pentru generatoare de energie staționare mari care ar putea alimenta o fabrică sau un oraș. Acest tip de celulă de combustibil funcționează la temperaturi foarte ridicate (700 până la 1000 de grade Celsius). Temperatura ridicată este o problemă de fiabilitate, deoarece unele celule de combustibil pot eșua după mai multe cicluri de pornire și oprire. Cu toate acestea, celulele de combustibil cu oxid solid sunt foarte stabile în funcționare continuă. Într-adevăr, SOFC-urile au demonstrat cea mai lungă durată de viață a oricărei celule de combustibil în anumite condiții. Temperatura ridicată are și un avantaj: aburul generat de celulele de combustibil poate fi direcționat către turbine și poate genera mai multă energie electrică. Acest proces se numește cogenerarea căldurii și a electricitățiiși îmbunătățește eficiența generală a sistemului.

Pila de combustibil alcalină (AFC)

Este unul dintre cele mai vechi modele de celule de combustibil utilizate din anii 1960. AFC-urile sunt extrem de susceptibile la contaminare deoarece necesită hidrogen pur și oxigen. În plus, sunt foarte scumpe, deci este puțin probabil ca acest tip de celulă de combustibil să fie introdus în producția de masă.

Pila de combustibil carbonat topit (MCFC)

La fel ca SOFC-urile, aceste celule de combustie sunt, de asemenea, cele mai potrivite pentru centrale electrice staționare mari și generatoare. Acestea funcționează la 600 de grade Celsius, deci pot genera abur, care la rândul său poate fi folosit pentru a genera și mai multă energie. Au o temperatură de funcționare mai scăzută decât celulele de combustibil cu oxid solid, ceea ce înseamnă că nu au nevoie de astfel de materiale rezistente la căldură. Acest lucru le face puțin mai ieftine.

Pila de combustie cu acid fosforic (PAFC)

Pilă de combustibil cu acid fosforic are potențialul de a fi utilizat în sistemele de alimentare staționare mici. Funcționează la o temperatură mai ridicată decât o celulă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri, deci durează mai mult timp pentru încălzire, făcându-l nepotrivit pentru utilizarea în automobile.

Pilă de combustibil directă cu metanol (DMFC)

Pilele de combustibil cu metanol sunt comparabile cu PEMFC în ceea ce privește temperatura de funcționare, dar nu la fel de eficiente. În plus, DMFC-urile necesită destul de multă platină pentru a acționa ca un catalizator, ceea ce face ca aceste celule de combustibil să fie scumpe.

Pilă de combustibil cu membrană schimbătoare de polimeri

Celula de combustibil cu schimb de membrană polimerică (PEMFC) este una dintre cele mai promițătoare tehnologii de celule de combustibil. PEMFC folosește una dintre cele mai simple reacții ale oricărei celule de combustibil. Luați în considerare în ce constă.

1. DAR nodul - terminal negativ al celulei de combustibil. Conduce electroni, care sunt eliberați din moleculele de hidrogen, după care pot fi folosiți în circuitul extern. Are canale gravate prin care hidrogenul gazos este distribuit uniform pe suprafața catalizatorului.

2.LA atod - terminalul pozitiv al celulei de combustibil are și canale pentru distribuția oxigenului pe suprafața catalizatorului. De asemenea, conduce electronii înapoi din lanțul exterior al catalizatorului, unde se pot combina cu ioni de hidrogen și oxigen pentru a forma apă.

3.Membrană de schimb electrolit-proton... Este un material special prelucrat care conduce numai ioni încărcați pozitiv și blochează electronii. În PEMFC, membrana trebuie să fie umedă pentru a funcționa corect și a rămâne stabilă.

4. Catalizator- Acest material special care favorizează reacția oxigenului și hidrogenului. De obicei, este realizat din nanoparticule de platină aplicate foarte subțire pe hârtie sau țesătură carbonică. Catalizatorul are o structură de suprafață astfel încât suprafața maximă a platinei poate fi expusă la hidrogen sau oxigen.

Figura arată hidrogen gazos (H2) presurizat în celula de combustibil din partea anodului. Când o moleculă H2 intră în contact cu platina pe catalizator, aceasta se împarte în doi ioni H + și doi electroni. Electronii trec prin anod, unde sunt utilizați într-un circuit extern (efectuând lucrări utile, cum ar fi rotirea unui motor) și se întorc în partea catodică a celulei de combustibil.

Între timp, pe partea catodică a celulei de combustibil, oxigenul (O2) din aer trece prin catalizator unde formează doi atomi de oxigen. Fiecare dintre acești atomi are o sarcină negativă puternică. Această sarcină negativă atrage doi ioni H + peste membrană, unde se combină cu un atom de oxigen și doi electroni dintr-un circuit extern pentru a forma o moleculă de apă (H2O).

Această reacție într-o singură celulă de combustibil produce doar aproximativ 0,7 volți. Pentru a crește tensiunea la un nivel rezonabil, multe pile de combustibil individuale trebuie combinate pentru a forma un teanc de pile de combustibil. Plăcile bipolare sunt utilizate pentru a conecta o celulă de combustibil la alta și a suferi o oxidare fără potențial. O mare problemă cu plăcile bipolare este stabilitatea lor. Plăcile metalice bipolare pot fi corodate și subprodusele (ionii de fier și crom) reduc eficiența membranelor și electrozilor celulei de combustibil. Prin urmare, celulele cu combustibil la temperatură scăzută utilizează metale ușoare, grafit și compuși compuși din carbon și material termorezistent (materialul termorezistent este un fel de plastic care rămâne solid chiar și atunci când este expus la temperaturi ridicate) sub forma unui material bipolar.

Eficiența pilelor de combustibil

Reducerea poluării este unul dintre obiectivele principale ale unei celule de combustibil. Comparând o mașină alimentată de o celulă de combustibil cu o mașină alimentată de un motor pe benzină și o mașină alimentată de o baterie, veți vedea cum celulele de combustibil ar putea îmbunătăți eficiența mașinilor.

Deoarece toate cele trei tipuri de mașini au multe dintre aceleași componente, vom ignora această parte a mașinii și vom compara eficiența până la punctul în care se produce energie mecanică. Să începem cu un vehicul cu pile de combustibil.

Dacă o celulă de combustibil este alimentată cu hidrogen pur, eficiența sa poate fi de până la 80%. Astfel, convertește 80% din conținutul de energie al hidrogenului în electricitate. Cu toate acestea, trebuie să transformăm încă electricitatea în lucrări mecanice. Acest lucru este realizat de un motor electric și un invertor. Eficiența motorului+ invertorul este, de asemenea, de aproximativ 80%. Aceasta oferă o eficiență totală de aproximativ 80 * 80/100 = 64%. Se pare că vehiculul Honda FCX are o eficiență energetică de 60%.

Dacă sursa de combustibil nu este hidrogen pur, atunci vehicul va avea nevoie și de un reformator. Reformatorii transformă combustibilii cu hidrocarburi sau alcool în hidrogen. Acestea generează căldură și produc CO și CO2 pe lângă hidrogen. Folosesc diferite dispozitive pentru purificarea hidrogenului produs, dar această purificare este insuficientă și scade eficiența celulei de combustibil. Prin urmare, cercetătorii au decis să se concentreze asupra pilelor de combustibil pentru vehiculele alimentate cu hidrogen pur, în ciuda problemelor asociate cu producția și stocarea hidrogenului.

Eficiența unui motor pe benzină și a unei mașini pe baterii electrice

Eficiența unei mașini pe benzină este surprinzător de scăzută. Toată căldura care iese în evacuare sau este absorbită de radiator este energie irosită. De asemenea, motorul folosește multă energie pentru a roti diferitele pompe, ventilatoare și generatoare care îl mențin în funcțiune. Astfel, eficiența generală a unui motor pe benzină pentru automobile este de aproximativ 20%. Astfel, doar aproximativ 20% din conținutul de energie termică al benzinei este transformat în lucru mecanic.

Un vehicul electric alimentat cu baterii are o eficiență destul de ridicată. Bateria are o eficiență de aproximativ 90% (majoritatea bateriilor generează o anumită căldură sau trebuie încălzită) și un motor electric + invertor cu o eficiență de aproximativ 80%. Acest lucru oferă o eficiență globală de aproximativ 72%.

Dar asta nu este tot. Pentru ca o mașină electrică să se miște, electricitatea trebuie mai întâi generată undeva. Dacă a fost o centrală care a folosit procesul de ardere a combustibililor fosili (mai degrabă decât cea nucleară, hidroelectrică, solară sau eoliană), atunci doar aproximativ 40% din combustibilul consumat de centrală a fost transformat în electricitate. În plus, încărcarea unei mașini necesită transformarea curentului alternativ în curent continuu. Acest proces are o eficiență de aproximativ 90%.

Acum, dacă ne uităm la întregul ciclu, eficiența unui vehicul electric este de 72% pentru mașina însăși, 40% pentru o centrală electrică și 90% pentru încărcarea mașinii. Acest lucru oferă o eficiență globală de 26%. Eficiența generală variază foarte mult în funcție de centrala electrică utilizată pentru încărcarea bateriei. Dacă energia electrică pentru mașină este generată, de exemplu, de o centrală hidroelectrică, atunci eficiența mașinii electrice va fi de aproximativ 65%.

Oamenii de știință cercetează și îmbunătățesc proiectele pentru a continua să îmbunătățească eficiența celulei de combustibil. O nouă abordare este integrarea vehiculelor cu pilă de combustibil și baterii. Se dezvoltă un concept vehicul alimentat de un propulsor hibrid alimentat cu pilă de combustibil. Folosește o baterie cu litiu pentru a alimenta vehiculul în timp ce celula de combustibil reîncarcă bateria.

Vehiculele cu celule de combustibil sunt potențial la fel de eficiente ca o mașină alimentată cu baterii care se încarcă de la o centrală electrică care nu folosește combustibili fosili. Dar realizarea acestui potențial este practică și într-un mod accesibil poate fi dificil.

De ce să folosiți pilele de combustibil?

Motivul principal este tot ceea ce ține de petrol. America trebuie să importe aproape 60% din petrolul său. Până în 2025, se așteaptă ca importurile să crească la 68%. Americanii își folosesc două treimi din petrol în fiecare zi pentru transport. Chiar dacă fiecare mașină de pe stradă ar fi o mașină hibridă, până în 2025 SUA ar trebui totuși să folosească aceeași cantitate de petrol pe care americanii o consumau în 2000. Într-adevăr, America consumă un sfert din petrolul mondial, deși doar 4,6% din populația lumii locuiește aici.

Experții se așteaptă ca prețurile petrolului să crească în continuare în următoarele decenii, pe măsură ce sursele mai ieftine sunt epuizate. Companiile petroliere trebuie să se dezvolte campuri petroliereîntr-un mediu din ce în ce mai dificil, care va crește prețul petrolului.

Temerile se extind mult dincolo de securitatea economică. O mulțime de fonduri primite din vânzarea de petrol sunt cheltuite pentru menținerea terorismului internațional, a partidelor politice radicale și a unei situații instabile în regiunile producătoare de petrol.

Utilizarea petrolului și a altor combustibili fosili pentru energie produce poluare. Este cel mai potrivit pentru toată lumea să găsească o alternativă - arderea combustibililor fosili pentru energie.

Pilele de combustibil sunt o alternativă atractivă la dependența de petrol. În loc de poluare, pilele de combustibil produc apă curată ca produs secundar. Deși inginerii s-au concentrat temporar pe producerea hidrogenului din diverse surse fosile precum benzina sau gaz natural, regenerabil, ecologic căi curate obținerea hidrogenului în viitor. Cel mai promițător, în mod natural, va fi procesul de producere a hidrogenului din apă.

Dependența de petrol și încălzirea globală este o problemă internațională. Mai multe țări sunt implicate în comun în dezvoltarea cercetării și dezvoltării tehnologiei pilelor de combustibil.

Evident, oamenii de știință și producătorii trebuie să lucreze din greu înainte ca pilele de combustibil să devină o alternativă. metode moderne producere de energie. Cu toate acestea, cu sprijinul mondial și cooperarea globală, un sistem viabil de energie a pilelor de combustibil ar putea fi o realitate în doar câteva decenii.