Tự làm pin nhiên liệu tại nhà. Pin nhiên liệu

Điện tử di động hàng năm, nếu không phải là tháng, ngày càng trở nên dễ tiếp cận và phổ biến hơn. Ở đây bạn có máy tính xách tay, PDA, máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại di động và rất nhiều thiết bị hữu ích khác. Và tất cả các thiết bị này đều liên tục được bổ sung các tính năng mới, bộ vi xử lý mạnh hơn, màn hình màu lớn hơn, kết nối không dây, đồng thời thu nhỏ kích thước. Tuy nhiên, không giống như các công nghệ bán dẫn, công nghệ điện năng cho toàn bộ khu vực di động này không phải là một bước nhảy vọt.

Ắc quy và pin thông thường rõ ràng là không đủ để cung cấp năng lượng cho những tiến bộ mới nhất trong ngành công nghiệp điện tử trong một thời gian đáng kể. Và nếu không có pin dung lượng cao, đáng tin cậy, toàn bộ điểm về tính di động và không dây sẽ bị mất. Vì vậy, ngành công nghiệp máy tính ngày càng tích cực giải quyết vấn đề nguồn điện thay thế... Và hướng đi hứa hẹn nhất hiện nay là pin nhiên liệu.

Nguyên lý cơ bản của pin nhiên liệu được phát hiện bởi nhà khoa học người Anh, Sir William Grove vào năm 1839. Ông được biết đến như là cha đẻ của "pin nhiên liệu". William Grove tạo ra điện bằng cách thay đổi để chiết xuất hydro và oxy. Ngắt kết nối pin khỏi tế bào điện phân, Grove ngạc nhiên khi thấy rằng các điện cực bắt đầu hấp thụ khí tiến hóa và tạo ra dòng điện. Mở quy trình quá trình đốt cháy hydro "lạnh" điện hóa đã trở thành một sự kiện quan trọng trong lĩnh vực năng lượng, và sau này các nhà điện hóa nổi tiếng như Ostwald và Nernst đã đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển cơ sở lý thuyết và triển khai thực tế của pin nhiên liệu và dự đoán một tương lai tuyệt vời cho chúng.

Bản thân anh ấy thuật ngữ "pin nhiên liệu" xuất hiện muộn hơn - nó được đề xuất vào năm 1889 bởi Ludwig Mond và Charles Langer, những người đang cố gắng tạo ra một thiết bị để tạo ra điện từ không khí và khí than.

Trong quá trình đốt cháy bình thường trong oxy, quá trình oxy hóa nhiên liệu hóa thạch sẽ diễn ra và năng lượng hóa học của nhiên liệu được chuyển hóa thành nhiệt năng một cách kém hiệu quả. Nhưng hóa ra có thể xảy ra phản ứng oxy hóa, ví dụ, của hydro với oxy, được thực hiện trong môi trường điện phân và khi có điện cực, để thu được dòng điện. Ví dụ, cung cấp hydro cho điện cực trong môi trường kiềm, chúng ta nhận được các electron:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

mà, đi qua mạch ngoài, đi vào điện cực ngược lại, oxy đi vào và nơi xảy ra phản ứng: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Có thể thấy rằng phản ứng tạo thành 2H2 + O2 → H2O giống như trong quá trình đốt cháy thông thường, nhưng trong pin nhiên liệu, hay nói cách khác - trong máy phát điện hóangười ta thu được dòng điện với hiệu suất lớn và tỏa nhiệt một phần. Lưu ý rằng than đá, carbon monoxide, rượu, hydrazine và các chất hữu cơ khác cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong pin nhiên liệu, trong khi không khí, hydrogen peroxide, clo, brom, axit nitric, v.v. có thể được sử dụng làm chất ôxy hóa.

Sự phát triển của pin nhiên liệu tiếp tục mạnh mẽ ở cả nước ngoài và ở Nga, và sau đó là ở Liên Xô. Trong số các nhà khoa học có đóng góp lớn trong việc nghiên cứu pin nhiên liệu, chúng ta lưu ý đến V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Yusti, K. Kordesh. Vào giữa thế kỷ trước, một cơn bão mới về các vấn đề pin nhiên liệu bắt đầu. Điều này một phần là do sự xuất hiện của các ý tưởng, vật liệu và công nghệ mới từ kết quả nghiên cứu quốc phòng.

Một trong những nhà khoa học đã tạo ra bước tiến lớn trong sự phát triển của pin nhiên liệu là P.M.Spiridonov. Các nguyên tố hydro-oxy của Spiridonov cho mật độ dòng điện là 30 mA / cm2, vào thời điểm đó được coi là một thành tựu lớn. Vào những năm bốn mươi, O. Davtyan đã tạo ra một đơn vị để đốt cháy điện hóa khí của máy phát điện thu được bằng cách khí hóa than. Với mỗi mét khối thể tích nguyên tố, Davtyan nhận được 5 kW điện.

Nó đã pin nhiên liệu điện phân rắn đầu tiên... Nó có hiệu suất cao, nhưng theo thời gian chất điện phân bị suy giảm và cần được thay đổi. Sau đó, Davtyan vào cuối những năm 50 đã tạo ra cài đặt mạnh mẽlái máy kéo. Cũng trong những năm này, kỹ sư người Anh T. Bacon đã thiết kế và chế tạo một loại pin nhiên liệu có tổng công suất 6 kW và hiệu suất 80%, chạy bằng hydro và oxy tinh khiết, nhưng tỷ lệ công suất trên trọng lượng của pin quá nhỏ - những tế bào như vậy không phù hợp với ứng dụng thực tế và quá đắt.

Những năm tháng sau đó, thời của những kẻ cô đơn trôi qua. Những người tạo ra tàu vũ trụ bắt đầu quan tâm đến pin nhiên liệu. Kể từ giữa những năm 60, hàng triệu đô la đã được đầu tư vào nghiên cứu pin nhiên liệu. Công việc của hàng nghìn nhà khoa học và kỹ sư đã giúp nó đạt được một tầm cao mới vào năm 1965. pin nhiên liệu đã được thử nghiệm ở Hoa Kỳ cho tàu không gian Gemini 5, và sau đó trên tàu vũ trụ Apollo cho các chuyến bay lên Mặt trăng và theo chương trình Tàu con thoi.

Ở Liên Xô, pin nhiên liệu được phát triển tại NPO Kvant, cũng để sử dụng trong không gian. Trong những năm đó, vật liệu mới đã xuất hiện - chất điện phân polyme rắn dựa trên màng trao đổi ion, các loại chất xúc tác, điện cực mới. Tuy nhiên, mật độ dòng điện làm việc nhỏ - trong khoảng 100-200 mA / cm2, và hàm lượng bạch kim trên các điện cực là vài g / cm2. Đã có nhiều vấn đề liên quan đến độ bền, độ ổn định, độ an toàn.

Giai đoạn tiếp theo trong quá trình phát triển nhanh chóng của pin nhiên liệu bắt đầu vào những năm 90. thế kỷ trước và tiếp tục cho đến ngày nay. Một mặt là do nhu cầu về các nguồn năng lượng hiệu quả mới có liên quan đến vấn đề môi trường toàn cầu là sự gia tăng phát thải khí nhà kính do đốt các nhiên liệu hóa thạch và mặt khác, với sự cạn kiệt nguồn dự trữ nhiên liệu đó. Vì sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt cháy hydro trong pin nhiên liệu là nước nên chúng được coi là sạch nhất về tác động của chúng đối với môi trường. Vấn đề chính chỉ nằm ở việc tìm ra cách sản xuất hydro hiệu quả và rẻ tiền.

Hàng tỷ khoản đầu tư tài chính vào việc phát triển pin nhiên liệu và máy phát hydro sẽ dẫn đến một bước đột phá về công nghệ và biến chúng thành hiện thực trong cuộc sống hàng ngày: trong các tế bào cho điện thoại di động, trong ô tô, trong các nhà máy điện. Ở thời điểm hiện tại, những gã khổng lồ ô tô như Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors đang trình diễn những chiếc ô tô và xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu 50 kW. Một số công ty đã phát triển trình diễn nhà máy điện trên pin nhiên liệu với công suất điện phân oxit rắn lên đến 500 kW... Tuy nhiên, mặc dù có một bước đột phá đáng kể trong việc cải thiện các đặc tính của pin nhiên liệu, vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết liên quan đến chi phí, độ tin cậy và độ an toàn của chúng.

Trái ngược với pin và ắc quy, trong pin nhiên liệu, cả nhiên liệu và chất ôxy hóa đều được cung cấp từ bên ngoài. Pin nhiên liệu chỉ là vật trung gian trong phản ứng và trong điều kiện lý tưởng, pin có thể hoạt động gần như vĩnh viễn. Vẻ đẹp của công nghệ này là trên thực tế, phần tử đốt cháy nhiên liệu và chuyển đổi trực tiếp năng lượng được giải phóng thành điện năng. Với quá trình đốt cháy trực tiếp nhiên liệu, nó bị oxy hóa bởi oxy, và nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình này được sử dụng để thực hiện công việc hữu ích.

Trong pin nhiên liệu, cũng như trong pin, các phản ứng oxy hóa nhiên liệu và khử oxy được tách biệt theo không gian, và quá trình "đốt cháy" chỉ diễn ra nếu pin cung cấp dòng điện cho tải. Nó giống như máy phát điện diesel, chỉ không có diesel và máy phát điện... Và cũng không có khói, tiếng ồn, quá nóng và hiệu quả cao hơn nhiều. Điều thứ hai được giải thích bởi thực tế là, thứ nhất, không có trung gian thiết bị cơ khí và thứ hai, pin nhiên liệu không phải là động cơ nhiệt và do đó không tuân theo định luật Carnot (nghĩa là, hiệu suất của nó không được xác định bởi sự chênh lệch nhiệt độ).

Oxy được sử dụng làm chất oxy hóa trong pin nhiên liệu. Hơn nữa, vì có đủ oxy trong không khí, nên không cần lo lắng về việc cung cấp chất oxy hóa. Đối với nhiên liệu, nó là hydro. Vì vậy, một phản ứng xảy ra trong pin nhiên liệu:

2H2 + O2 → 2H2O + điện + nhiệt.

Kết quả là năng lượng hữu ích và hơi nước. Đơn giản nhất trong cấu trúc của nó là tế bào nhiên liệu màng trao đổi proton (xem hình 1). Nó hoạt động như sau: hydro đi vào nguyên tố bị phân hủy dưới tác dụng của chất xúc tác thành các electron và ion hydro tích điện dương H +. Sau đó, một màng đặc biệt sẽ hoạt động, đóng vai trò chất điện phân trong pin thông thường. Do thành phần hóa học của nó, nó cho phép proton đi qua chính nó, nhưng vẫn giữ lại các electron. Do đó, các điện tử tích tụ ở cực dương tạo ra điện tích âm dư thừa, và các ion hydro tạo ra điện tích dương ở cực âm (hiệu điện thế trên tế bào là khoảng 1V).

Để tạo ra công suất cao, một pin nhiên liệu được ghép từ nhiều tế bào. Nếu tế bào được bao gồm trong tải, thì các điện tử sẽ chạy qua nó đến cực âm, tạo ra dòng điện và hoàn thành quá trình oxy hóa hydro bằng oxy. Như một chất xúc tác trong pin nhiên liệu như vậy, các vi hạt bạch kim được hỗ trợ trên sợi carbon thường được sử dụng. Do cấu trúc của nó, chất xúc tác như vậy có tính thấm khí và điện cao. Màng thường được làm từ polymer có chứa lưu huỳnh, Nafion. Độ dày của màng bằng phần mười milimét. Trong quá trình phản ứng, tất nhiên, nhiệt lượng cũng được giải phóng, nhưng không nhiều nên nhiệt độ vận hành được duy trì trong vùng 40-80 ° C.

Hình 1. Cách thức hoạt động của pin nhiên liệu

Có nhiều loại pin nhiên liệu khác, chủ yếu là khác nhau về loại chất điện phân được sử dụng. Hầu như tất cả chúng đều yêu cầu hydro làm nhiên liệu, vì vậy một câu hỏi logic được đặt ra: lấy nó ở đâu. Tất nhiên, có thể sử dụng hydro nén từ các xi lanh, nhưng sau đó các vấn đề ngay lập tức nảy sinh liên quan đến việc vận chuyển và lưu trữ loại khí rất dễ cháy này dưới áp suất cao. Tất nhiên, hydro có thể được sử dụng ở dạng liên kết như trong pin hyđrua kim loại. Nhưng nhiệm vụ sản xuất và vận chuyển của nó vẫn còn, bởi vì cơ sở hạ tầng của việc tiếp nhiên liệu hydro không tồn tại.

Tuy nhiên, cũng có một giải pháp - nhiên liệu hydrocacbon lỏng có thể được sử dụng như một nguồn hydro. Ví dụ: rượu etylic hoặc rượu metylic. Đúng vậy, một thiết bị bổ sung đặc biệt đã được yêu cầu ở đây - một bộ chuyển đổi nhiên liệu, chuyển đổi rượu thành hỗn hợp khí H2 và CO2 ở nhiệt độ cao (đối với metanol, nó sẽ ở khoảng 240 ° C). Nhưng trong trường hợp này, đã khó khăn hơn khi nghĩ về tính di động - những thiết bị như vậy rất tốt để sử dụng dưới dạng văn phòng phẩm hoặc, nhưng đối với thiết bị di động nhỏ gọn, bạn cần thứ gì đó ít cồng kềnh hơn.

Và ở đây chúng ta đến với chính xác thiết bị, việc phát triển thiết bị này đang được thực hiện với sức mạnh khủng khiếp bởi hầu hết mọi người nhà sản xuất lớn nhất thiết bị điện tử - pin nhiên liệu metanol (Hình 2).

Hình 2. Cách hoạt động của pin nhiên liệu metanol

Sự khác biệt cơ bản giữa pin nhiên liệu hydro và methanol nằm ở chất xúc tác được sử dụng. Chất xúc tác trong pin nhiên liệu metanol cho phép loại bỏ các proton trực tiếp khỏi phân tử rượu. Như vậy, vấn đề nhiên liệu đã được giải quyết - rượu metylic được sản xuất đại trà cho ngành công nghiệp hóa chất, dễ bảo quản và vận chuyển, và để sạc pin nhiên liệu metanol, chỉ cần thay thế hộp nhiên liệu là đủ. Đúng, có một nhược điểm đáng kể - metanol rất độc. Ngoài ra, hiệu suất của pin nhiên liệu metanol thấp hơn đáng kể so với pin nhiên liệu hydro.

Nhân vật: 3. Pin nhiên liệu metanol

Lựa chọn hấp dẫn nhất là sử dụng rượu etylic làm nhiên liệu, vì việc sản xuất và phân phối đồ uống có cồn với bất kỳ thành phần và độ mạnh nào đã được thiết lập tốt trên toàn cầu. Tuy nhiên, không may, hiệu suất của pin nhiên liệu ethanol thậm chí còn thấp hơn so với pin nhiên liệu methanol.

Như đã ghi nhận trong nhiều năm phát triển trong lĩnh vực pin nhiên liệu, nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau đã được chế tạo. Pin nhiên liệu được phân loại theo chất điện phân và loại nhiên liệu.

1. Chất rắn điện phân hiđro - oxi.

2. Pin nhiên liệu polyme metanol rắn.

3. Tế bào trên điện phân kiềm.

4. Pin nhiên liệu axit photphoric.

5. Pin nhiên liệu dựa trên cacbonat nóng chảy.

6. Pin nhiên liệu oxit rắn.

Lý tưởng nhất là hiệu suất của pin nhiên liệu rất cao, nhưng trong điều kiện thực tế có những tổn thất liên quan đến các quá trình không cân bằng, chẳng hạn như: tổn thất ohmic do độ dẫn điện riêng của chất điện phân và điện cực, sự hoạt hóa và phân cực nồng độ, tổn thất khuếch tán. Kết quả là, một phần năng lượng tạo ra trong pin nhiên liệu được chuyển hóa thành nhiệt. Những nỗ lực của các chuyên gia là nhằm giảm những tổn thất này.

Màng trao đổi cation sulfonic đã được perfluorinated là nguồn chính gây thất thoát ohmic và cũng là lý do khiến pin nhiên liệu có giá thành cao. Hiện đang tiến hành tìm kiếm các polyme dẫn proton thay thế, rẻ hơn. Vì độ dẫn điện của các màng này (chất điện phân rắn) đạt đến giá trị chấp nhận được (10 Ohm / cm) chỉ khi có nước, khí cung cấp cho pin nhiên liệu phải được làm ẩm thêm trong một thiết bị đặc biệt, điều này cũng làm tăng chi phí của hệ thống. Trong các điện cực khuếch tán khí xúc tác, platin và một số kim loại quý khác được sử dụng chủ yếu và cho đến nay vẫn chưa tìm thấy chất thay thế nào cho chúng. Mặc dù hàm lượng bạch kim trong pin nhiên liệu là vài mg / cm2, nhưng đối với các loại pin lớn thì lượng của nó lên tới hàng chục gam.

Khi thiết kế pin nhiên liệu, hệ thống loại bỏ nhiệt được chú ý nhiều vì ở mật độ dòng điện cao (lên đến 1A / cm2), hệ thống tự làm nóng xảy ra. Để làm mát, nước luân chuyển trong pin nhiên liệu thông qua các kênh đặc biệt được sử dụng và ở công suất thấp, không khí được thổi.

Vì vậy, hệ thống máy phát điện hóa hiện đại, ngoài pin nhiên liệu, còn "phát triển quá mức" với nhiều thiết bị phụ trợ, như: máy bơm, máy nén để cấp khí, nạp hydro, máy làm ẩm khí, bộ làm mát, hệ thống kiểm soát rò rỉ khí, bộ chuyển đổi DC-to-AC, bộ xử lý điều khiển Tất cả điều này dẫn đến thực tế là chi phí của hệ thống pin nhiên liệu trong năm 2004-2005 là 2-3 nghìn USD / kW. Theo các chuyên gia, pin nhiên liệu sẽ có sẵn để sử dụng trong các nhà máy vận tải và điện tĩnh với giá từ 50-100 USD / kW.

Để đưa pin nhiên liệu vào cuộc sống hàng ngày, cùng với việc giảm chi phí của các bộ phận, người ta nên mong đợi những ý tưởng và cách tiếp cận ban đầu mới. Đặc biệt, hy vọng lớn được đặt ra vào việc sử dụng vật liệu nano và công nghệ nano. Ví dụ, một số công ty gần đây đã công bố việc tạo ra các chất xúc tác siêu hiệu quả, đặc biệt, cho một điện cực oxy dựa trên các cụm hạt nano của nhiều kim loại khác nhau. Ngoài ra, đã có báo cáo về thiết kế pin nhiên liệu không màng trong đó nhiên liệu lỏng (như metanol) được đưa vào pin nhiên liệu cùng với chất oxy hóa. Khái niệm phát triển về các tế bào nhiên liệu sinh học hoạt động trong vùng nước ô nhiễm và sử dụng oxy hòa tan trong khí quyển làm chất oxy hóa và các tạp chất hữu cơ làm nhiên liệu cũng rất thú vị.

Theo các chuyên gia, pin nhiên liệu sẽ gia nhập thị trường đại chúng trong những năm tới. Thật vậy, các nhà phát triển lần lượt giành chiến thắng vấn đề kỹ thuật, báo cáo thành công và trình bày pin nhiên liệu nguyên mẫu. Ví dụ, Toshiba đã trình diễn một nguyên mẫu hoàn chỉnh của pin nhiên liệu metanol. Nó có kích thước 22x56x4.5mm và cho công suất khoảng 100mW. Một lần đổ đầy 2 khối metanol đậm đặc (99,5%) là đủ cho 20 giờ hoạt động của máy nghe nhạc MP3. Toshiba đã ra mắt pin nhiên liệu thương mại để cung cấp năng lượng cho điện thoại di động. Một lần nữa, Toshiba cũng đã trình diễn một loại pin dành cho máy tính xách tay có kích thước 275x75x40mm, cho phép máy tính hoạt động trong 5 giờ kể từ một lần tiếp nhiên liệu.

Một công ty Nhật Bản khác là Fujitsu cũng không tụt hậu so với Toshiba. Năm 2004, bà cũng giới thiệu một nguyên tố tác dụng với dung dịch nước 30% là metanol. Pin nhiên liệu này chạy trên một lần nạp 300ml trong 10 giờ và cung cấp công suất 15W.

Casio đang phát triển một loại pin nhiên liệu trong đó metanol đầu tiên được chuyển đổi thành hỗn hợp khí H2 và CO2 trong một bộ chuyển đổi nhiên liệu thu nhỏ và sau đó được đưa vào pin nhiên liệu. Trong cuộc trình diễn, nguyên mẫu Casio cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay trong 20 giờ.

Samsung cũng đã tạo nên tên tuổi trong lĩnh vực pin nhiên liệu - vào năm 2004, hãng đã trình diễn nguyên mẫu 12W được thiết kế để cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay. Nói chung, Samsung dự định sử dụng pin nhiên liệu, trước hết, trong điện thoại thông minh thế hệ thứ tư.

Tôi phải nói rằng các công ty Nhật Bản nói chung đã tiếp cận rất kỹ lưỡng việc phát triển pin nhiên liệu. Trở lại năm 2003, các công ty như Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony và Toshiba đã hợp tác phát triển một tiêu chuẩn duy nhất cho pin nhiên liệu cho máy tính xách tay. điện thoại di động, PDA và các thiết bị điện tử khác. Các công ty Mỹ, cũng có rất nhiều trong thị trường này, hầu hết làm việc theo hợp đồng với quân đội và phát triển pin nhiên liệu để điện khí hóa cho lính Mỹ.

Người Đức đi sau không xa - Smart Fuel Cell bán pin nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho một văn phòng di động. Thiết bị này có tên Smart Fuel Cell C25, có kích thước 150x112x65mm và có thể cung cấp tới 140 watt-giờ cho một lần đổ đầy. Điều này đủ để cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay trong khoảng 7 giờ. Sau đó, hộp mực có thể được thay thế và bạn có thể tiếp tục làm việc. Kích thước của hộp methanol là 99x63x27 mm và nó nặng 150g. Bản thân hệ thống nặng 1,1 kg, vì vậy bạn không thể gọi nó là hoàn toàn di động, nhưng nó vẫn là một thiết bị hoàn thiện và tiện lợi. Công ty cũng đang phát triển một mô-đun nhiên liệu để cung cấp năng lượng cho các máy quay video chuyên nghiệp.

Nhìn chung, pin nhiên liệu đã thâm nhập vào thị trường điện tử di động. Các nhà sản xuất phải giải quyết những vấn đề kỹ thuật cuối cùng trước khi bắt đầu sản xuất hàng loạt.

Đầu tiên, cần phải giải quyết vấn đề thu nhỏ pin nhiên liệu. Xét cho cùng, pin nhiên liệu càng nhỏ thì khả năng cung cấp năng lượng càng ít - vì vậy các chất xúc tác và điện cực mới liên tục được phát triển, cho phép kích thước nhỏ được tối đa hóa bề mặt làm việc... Đây chỉ là nơi nó có ích những phát triển mới nhất trong lĩnh vực công nghệ nano và vật liệu nano (ví dụ, ống nano). Một lần nữa, những thành tựu của vi cơ điện tử ngày càng được sử dụng để thu nhỏ đường ống của các phần tử (máy bơm nhiên liệu và nước, hệ thống làm mát và chuyển đổi nhiên liệu).

Vấn đề lớn thứ hai cần giải quyết là chi phí. Rốt cuộc, bạch kim rất đắt tiền được sử dụng làm chất xúc tác trong hầu hết các pin nhiên liệu. Một lần nữa, một số nhà sản xuất đang cố gắng tận dụng tối đa các công nghệ silicon đã được thiết lập sẵn.

Đối với các lĩnh vực sử dụng pin nhiên liệu khác, pin nhiên liệu đã phát triển vững chắc ở đó, mặc dù chúng vẫn chưa trở thành chủ đạo trong lĩnh vực năng lượng hay vận tải. Đã có rất nhiều nhà sản xuất ô tô trình làng những mẫu xe ý tưởng chạy bằng pin nhiên liệu của họ. Có xe buýt chạy bằng pin nhiên liệu ở một số thành phố trên thế giới. Canada Ballard Power Systems sản xuất một loạt các máy phát điện tĩnh từ 1 đến 250 kW. Đồng thời, máy phát điện kilowatt được thiết kế để cung cấp ngay lập tức điện, nhiệt và nước nóng cho một căn hộ.

Một số sáng kiến \u200b\u200bđã được thực hiện ở Hoa Kỳ để phát triển pin nhiên liệu hydro, cơ sở hạ tầng và công nghệ để biến phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu trở nên thiết thực và tiết kiệm vào năm 2020. Hơn một tỷ đô la đã được phân bổ cho những mục đích này.

Pin nhiên liệu tạo ra điện một cách nhẹ nhàng và hiệu quả, không gây ô nhiễm môi trường... Không giống như các nguồn năng lượng sử dụng nhiên liệu hóa thạch, sản phẩm phụ của pin nhiên liệu là nhiệt và nước. Làm thế nào nó hoạt động?

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét ngắn gọn từng công nghệ nhiên liệu hiện có ngày nay, cũng như nói về thiết kế và hoạt động của pin nhiên liệu, đồng thời so sánh chúng với các hình thức sản xuất năng lượng khác. Chúng tôi cũng sẽ thảo luận về một số trở ngại mà các nhà nghiên cứu gặp phải trong việc làm cho pin nhiên liệu trở nên thiết thực và phù hợp túi tiền của người tiêu dùng.

Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện hóa... Pin nhiên liệu chuyển hóa chất, hydro và oxy thành nước, trong quá trình đó nó tạo ra điện.

Một thiết bị điện hóa khác mà chúng ta đều quen thuộc là pin. Pin có tất cả các yếu tố hóa học cần thiết bên trong nó và chuyển đổi các chất này thành điện năng. Điều này có nghĩa là cuối cùng pin sẽ "chết" và bạn có thể vứt nó đi hoặc sạc lại.

Trong pin nhiên liệu, các chất hóa học liên tục chảy vào để nó không bao giờ "chết". Điện sẽ được tạo ra trong thời gian diễn ra dòng hóa chất vào nguyên tố. Hầu hết các pin nhiên liệu đang được sử dụng ngày nay đều sử dụng hydro và oxy.

Hydro là nguyên tố phong phú nhất trong Thiên hà của chúng ta. Tuy nhiên, trên thực tế, hydro không tồn tại trên Trái đất ở dạng nguyên tố. Các kỹ sư và nhà khoa học phải chiết xuất hydro tinh khiết từ các hợp chất hydro, bao gồm nhiên liệu hóa thạch hoặc nước. Để chiết xuất hydro từ các hợp chất này, bạn cần tiêu tốn năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc điện.

Sự phát minh ra pin nhiên liệu

Ngài William Grove đã phát minh ra pin nhiên liệu đầu tiên vào năm 1839. Grove biết rằng nước có thể được tách thành hydro và oxy bằng cách cho dòng điện chạy qua nó (một quá trình được gọi là điện phân). Anh ấy đề nghị rằng trong thứ tự ngược lại người ta có thể lấy điện và nước. Ông đã tạo ra một pin nhiên liệu nguyên thủy và đặt tên cho nó pin galvanic khí... Bằng cách thử nghiệm với phát minh mới của mình, Grove đã chứng minh giả thuyết của mình. Năm mươi năm sau, các nhà khoa học Ludwig Mond và Charles Langer đặt ra thuật ngữ pin nhiên liệu khi cố gắng xây dựng một mô hình thiết thực để phát điện.

Pin nhiên liệu sẽ cạnh tranh với nhiều thiết bị chuyển đổi năng lượng khác, bao gồm tuabin khí trong các nhà máy điện đô thị, động cơ đốt trong trong ô tô, cũng như tất cả các loại pin. Động cơ đốt trong, như tuabin khí, đốt cháy các loại khác nhau nhiên liệu và sử dụng áp suất tạo ra bởi sự nở ra của các chất khí để thực hiện công cơ học. Pin chuyển hóa năng lượng thành năng lượng điện khi cần thiết. Pin nhiên liệu phải thực hiện các nhiệm vụ này hiệu quả hơn.

Pin nhiên liệu cung cấp điện áp một chiều (dòng điện một chiều) có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ điện, đèn chiếu sáng và các thiết bị điện khác.

Có một số các loại khác nhau pin nhiên liệu, mỗi loại sử dụng một quy trình hóa học khác nhau. Pin nhiên liệu thường được phân loại theo nhiệt độ hoạt động và kiểuchất điện phân,mà họ đang sử dụng. Một số loại pin nhiên liệu rất thích hợp để sử dụng trong các nhà máy điện tĩnh. Những người khác có thể hữu ích cho các thiết bị di động nhỏ hoặc để cung cấp năng lượng cho ô tô. Các loại pin nhiên liệu chính bao gồm:

Pin nhiên liệu màng trao đổi polyme (PEMFC)

PEMFC được coi là ứng cử viên khả dĩ nhất cho các ứng dụng vận tải. PEMFC có cả công suất cao và nhiệt độ hoạt động tương đối thấp (dao động từ 60 đến 80 độ C). Nhiệt độ hoạt động thấp có nghĩa là pin nhiên liệu có thể nhanh chóng nóng lên để bắt đầu tạo ra điện.

Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)

Các pin nhiên liệu này phù hợp nhất cho các máy phát điện lớn, cố định có thể cung cấp năng lượng cho một nhà máy hoặc thành phố. Loại pin nhiên liệu này hoạt động ở nhiệt độ rất cao (700 đến 1000 độ C). Nhiệt độ cao là một vấn đề về độ tin cậy vì một số pin nhiên liệu có thể bị hỏng sau nhiều chu kỳ bật và tắt. Tuy nhiên, pin nhiên liệu oxit rắn rất ổn định khi hoạt động liên tục. Trên thực tế, SOFC đã chứng minh tuổi thọ cao nhất của bất kỳ loại pin nhiên liệu nào trong những điều kiện nhất định. Nhiệt độ cao cũng có một ưu điểm: hơi nước do pin nhiên liệu tạo ra có thể được dẫn đến các tuabin và tạo ra nhiều điện hơn. Quá trình này được gọi là đồng phát nhiệt và điện và cải thiện hiệu quả chung của hệ thống.

Pin nhiên liệu kiềm (AFC)

Đây là một trong những thiết kế pin nhiên liệu lâu đời nhất được sử dụng từ những năm 1960. AFC rất dễ bị ô nhiễm vì chúng cần hydro và oxy tinh khiết. Ngoài ra, chúng rất đắt nên loại pin nhiên liệu này khó có thể được đưa vào sản xuất hàng loạt.

Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC)

Giống như SOFC, các pin nhiên liệu này cũng phù hợp nhất cho các nhà máy điện và máy phát điện tĩnh lớn. Chúng hoạt động ở 600 độ C, vì vậy chúng có thể tạo ra hơi nước, do đó có thể được sử dụng để tạo ra nhiều năng lượng hơn. Chúng có nhiệt độ hoạt động thấp hơn pin nhiên liệu oxit rắn, có nghĩa là chúng không cần các vật liệu chịu nhiệt như vậy. Điều này làm cho chúng rẻ hơn một chút.

Pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC)

Pin nhiên liệu axit photphoriccó tiềm năng được sử dụng trong các hệ thống điện tĩnh, nhỏ. Nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với pin nhiên liệu màng trao đổi polyme, do đó, thời gian nóng lên lâu hơn, khiến nó không thích hợp để sử dụng trên xe.

Pin nhiên liệu metanol trực tiếp (DMFC)

Pin nhiên liệu metanol có thể so sánh với PEMFC về nhiệt độ hoạt động, nhưng không hiệu quả bằng. Ngoài ra, DMFC đòi hỏi khá nhiều bạch kim để hoạt động như một chất xúc tác, điều này làm cho các pin nhiên liệu này trở nên đắt đỏ.

Pin nhiên liệu với màng trao đổi polyme

Tế bào nhiên liệu trao đổi màng polyme (PEMFC) là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn pin nhiên liệu. PEMFC sử dụng một trong những phản ứng đơn giản nhất của bất kỳ loại pin nhiên liệu nào. Xem xét nó bao gồm những gì.

1. VÀ nút - cực âm của pin nhiên liệu. Nó dẫn các điện tử được giải phóng từ các phân tử hydro, sau đó chúng có thể được sử dụng ở mạch ngoài. Nó có các kênh khắc mà qua đó khí hydro được phân bố đều trên bề mặt chất xúc tác.

2. ĐẾN athode - cực dương của pin nhiên liệu cũng có các kênh phân phối oxy trên bề mặt chất xúc tác. Nó cũng dẫn các electron trở lại chuỗi chất xúc tác bên ngoài, nơi chúng có thể kết hợp với các ion hydro và oxy để tạo thành nước.

3. Màng trao đổi chất điện giải-proton... Nó là một vật liệu được xử lý đặc biệt, chỉ dẫn các ion tích điện dương và chặn các electron. Trong PEMFCs, màng phải ẩm để hoạt động tốt và duy trì ổn định.

4. Chất xúc tác Là một vật liệu đặc biệt thúc đẩy phản ứng của oxy và hydro. Nó thường được làm từ các hạt nano bạch kim được phủ rất mỏng lên giấy hoặc vải cacbon. Chất xúc tác có cấu trúc bề mặt sao cho diện tích bề mặt tối đa của bạch kim có thể tiếp xúc với hydro hoặc oxy.

Hình bên cho thấy khí hydro (H2) được điều áp vào pin nhiên liệu từ phía cực dương. Khi phân tử H2 tiếp xúc với platin trên chất xúc tác, nó phân tách thành hai ion H + và hai electron. Các electron đi qua cực dương, nơi chúng được sử dụng trong mạch ngoài (làm công việc hữu ích, chẳng hạn như quay động cơ) và quay trở lại phía cực âm của pin nhiên liệu.

Trong khi đó, ở phía cực âm của pin nhiên liệu, oxy (O2) từ không khí đi qua chất xúc tác, nơi nó tạo thành hai nguyên tử oxy. Mỗi nguyên tử này có điện tích âm mạnh. Điện tích âm này thu hút hai ion H + qua màng, nơi chúng kết hợp với một nguyên tử oxy và hai điện tử đến từ mạch ngoài để tạo thành phân tử nước (H2O).

Phản ứng này trong một pin nhiên liệu chỉ tạo ra khoảng 0,7 vôn. Để nâng điện áp lên một mức hợp lý, nhiều pin nhiên liệu riêng lẻ phải được kết hợp để tạo thành một ngăn xếp pin nhiên liệu. Các tấm lưỡng cực được sử dụng để kết nối pin nhiên liệu này với pin khác và trải qua quá trình oxy hóa khử tiềm năng. Một vấn đề lớn với các tấm lưỡng cực là tính ổn định của chúng. Các tấm lưỡng cực kim loại có thể bị ăn mòn và các sản phẩm phụ (ion sắt và crom) làm giảm hiệu quả của màng pin nhiên liệu và điện cực. Do đó, pin nhiên liệu nhiệt độ thấp sử dụng kim loại nhẹ, than chì, và các hợp chất tổng hợp của cacbon và vật liệu nhiệt rắn (vật liệu nhiệt rắn là một loại nhựa vẫn rắn ngay cả khi tiếp xúc với nhiệt độ cao) ở dạng vật liệu tấm lưỡng cực.

Hiệu quả pin nhiên liệu

Giảm ô nhiễm là một trong những mục tiêu chính của pin nhiên liệu. So sánh ô tô chạy bằng pin nhiên liệu với ô tô chạy bằng động cơ xăng và ô tô chạy bằng pin sẽ cho bạn thấy pin nhiên liệu có thể cải thiện hiệu suất của ô tô như thế nào.

Vì cả ba loại ô tô đều có nhiều thành phần giống nhau, chúng ta sẽ bỏ qua phần này của ô tô và so sánh hiệu suất cho đến khi năng lượng cơ học được tạo ra. Hãy bắt đầu với một chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu.

Nếu pin nhiên liệu được cung cấp bởi hydro tinh khiết, hiệu suất của nó có thể lên đến 80%. Do đó, nó chuyển đổi 80 phần trăm năng lượng của hydro thành năng lượng điện. Tuy nhiên, chúng ta vẫn phải chuyển năng lượng điện thành công cơ học. Điều này đạt được nhờ một động cơ điện và một biến tần. Hiệu suất của động cơ + biến tần cũng xấp xỉ 80 phần trăm. Điều này mang lại tổng hiệu suất khoảng 80 * 80/100 \u003d 64 phần trăm. Mẫu xe ý tưởng FCX của Honda được cho là có hiệu suất năng lượng 60%.

Nếu nguồn nhiên liệu không phải là hydro tinh khiết, thì chiếc xe cũng sẽ cần một bộ cải tiến. Các nhà cải tiến chuyển đổi nhiên liệu hydrocacbon hoặc rượu thành hydro. Chúng tạo ra nhiệt và tạo ra CO và CO2 ngoài hydro. Họ sử dụng các thiết bị khác nhau để lọc hydro được tạo ra, nhưng quá trình lọc này không đủ và làm giảm hiệu suất của pin nhiên liệu. Do đó, các nhà nghiên cứu quyết định tập trung vào pin nhiên liệu cho các phương tiện chạy bằng hydro tinh khiết, bất chấp các vấn đề liên quan đến việc sản xuất và lưu trữ hydro.

Hiệu quả của động cơ xăng và xe điện

Hiệu suất của một chiếc xe chạy bằng xăng thấp một cách đáng ngạc nhiên. Tất cả nhiệt thoát ra từ ống xả hoặc được bộ tản nhiệt hấp thụ đều là năng lượng lãng phí. Động cơ cũng sử dụng nhiều năng lượng để cung cấp năng lượng cho các máy bơm, quạt và máy phát điện khác nhau giúp nó hoạt động. Do đó, toàn bộ hiệu quả của ô tô động cơ xăng là khoảng 20 phần trăm. Như vậy, chỉ có khoảng 20% \u200b\u200bthành phần nhiệt năng của xăng được chuyển thành công cơ học.

Xe điện chạy bằng pin có hiệu suất khá cao. Pin có hiệu suất khoảng 90 phần trăm (hầu hết các pin tạo ra một số nhiệt hoặc yêu cầu sưởi ấm) và động cơ + biến tần có hiệu suất khoảng 80 phần trăm. Điều này mang lại hiệu quả tổng thể khoảng 72 phần trăm.

Nhưng đó không phải là tất cả. Để ô tô điện có thể chuyển động, trước tiên ở đâu đó phải tạo ra điện. Nếu đó là một nhà máy điện sử dụng quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch (thay vì năng lượng hạt nhân, thủy điện, năng lượng mặt trời hoặc gió), thì chỉ khoảng 40% nhiên liệu mà nhà máy điện tiêu thụ được chuyển đổi thành điện năng. Thêm vào đó, quá trình sạc trên ô tô yêu cầu chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC. Quá trình này có hiệu suất khoảng 90%.

Bây giờ, nếu chúng ta nhìn vào toàn bộ chu kỳ, hiệu suất của một chiếc xe điện là 72% đối với chính chiếc xe, 40% đối với nhà máy điện và 90% đối với sạc xe. Điều này mang lại hiệu quả tổng thể là 26 phần trăm. Hiệu suất tổng thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào trạm điện nào được sử dụng để sạc pin. Ví dụ, nếu điện cho ô tô được tạo ra bởi một nhà máy thủy điện, thì hiệu suất của ô tô điện sẽ xấp xỉ 65 phần trăm.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu và cải tiến thiết kế để tiếp tục nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu. Một cách tiếp cận mới là tích hợp pin nhiên liệu và xe chạy bằng pin. Một mẫu xe ý tưởng được trang bị hệ thống truyền động hybrid chạy bằng pin nhiên liệu đang được phát triển. Nó sử dụng pin lithium để cung cấp năng lượng cho xe trong khi pin nhiên liệu sạc lại pin.

Xe chạy bằng pin nhiên liệu có khả năng hiệu quả như một chiếc xe chạy bằng pin được sạc từ một nhà máy điện không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Nhưng đạt được tiềm năng này một cách thiết thực và hợp túi tiền có thể khó.

Tại sao sử dụng pin nhiên liệu?

Lý do chính là mọi thứ liên quan đến dầu mỏ. Mỹ phải nhập khẩu gần 60% lượng dầu của mình. Đến năm 2025, nhập khẩu dự kiến \u200b\u200bsẽ tăng lên 68%. Người Mỹ sử dụng 2/3 lượng dầu mỗi ngày để vận chuyển. Ngay cả khi mọi chiếc xe trên đường phố đều là xe hybrid, đến năm 2025, Mỹ vẫn phải sử dụng lượng dầu tương đương với lượng dầu mà người Mỹ tiêu thụ vào năm 2000. Trên thực tế, Mỹ tiêu thụ một phần tư lượng dầu của thế giới, mặc dù chỉ có 4,6% dân số thế giới sống ở đây.

Các chuyên gia kỳ vọng giá dầu sẽ tiếp tục tăng trong vài thập kỷ tới khi các nguồn rẻ hơn giảm dần. Các công ty dầu mỏ phải phát triển các mỏ dầu trong một môi trường ngày càng khó khăn, điều này sẽ làm tăng giá dầu.

Nỗi sợ hãi vượt xa an ninh kinh tế. Nhiều khoản tiền nhận được từ việc bán dầu được chi vào việc duy trì chủ nghĩa khủng bố quốc tế, các đảng phái chính trị cấp tiến và tình hình bất ổn ở các khu vực sản xuất dầu.

Việc sử dụng dầu và các nhiên liệu hóa thạch khác để làm năng lượng tạo ra ô nhiễm. Tốt nhất là mọi người nên tìm một giải pháp thay thế - đốt nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng.

Pin nhiên liệu là một sự thay thế hấp dẫn cho sự phụ thuộc vào dầu. Thay vì ô nhiễm, pin nhiên liệu tạo ra nước sạch như một sản phẩm phụ. Mặc dù các kỹ sư tạm thời tập trung vào sản xuất hydro từ các nguồn hóa thạch khác nhau như xăng hoặc khí tự nhiên, các cách sản xuất hydro có thể tái tạo, thân thiện với môi trường trong tương lai đang được nghiên cứu. Tự nhiên, hứa hẹn nhất sẽ là quá trình sản xuất hydro từ nước.

Sự phụ thuộc vào dầu mỏ và sự nóng lên toàn cầu là một vấn đề quốc tế. Một số quốc gia đang cùng tham gia vào việc phát triển nghiên cứu và phát triển công nghệ pin nhiên liệu.

Rõ ràng, các nhà khoa học và nhà sản xuất phải làm việc chăm chỉ trước khi pin nhiên liệu trở thành một giải pháp thay thế cho sản xuất năng lượng hiện đại. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ trên toàn thế giới và sự hợp tác toàn cầu, một hệ thống năng lượng pin nhiên liệu khả thi có thể trở thành hiện thực trong một vài thập kỷ.


Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi năng lượng điện hóa để chuyển đổi hóa học hydro và oxy thành điện năng. Kết quả của quá trình này, nước được hình thành và một lượng lớn nhiệt được tạo ra. Pin nhiên liệu rất giống pin, có thể được sạc và sau đó sử dụng hết năng lượng điện dự trữ.
Người phát minh ra pin nhiên liệu được coi là William R. Grove, người đã phát minh ra nó vào năm 1839. Trong pin nhiên liệu này, một dung dịch axit sulfuric được sử dụng làm chất điện phân và hydro được sử dụng làm nhiên liệu, kết hợp với oxy trong môi trường oxy hóa. Cần lưu ý rằng cho đến gần đây, pin nhiên liệu mới chỉ được sử dụng trong các phòng thí nghiệm và trên tàu vũ trụ.
Trong tương lai, pin nhiên liệu sẽ có thể cạnh tranh với nhiều hệ thống khác để chuyển đổi năng lượng (bao gồm tuabin khí trong các nhà máy điện), động cơ đốt trong trên ô tô và pin điện trong các thiết bị di động. Động cơ đốt trong đốt cháy nhiên liệu và sử dụng áp suất tạo ra do sự giãn nở của khí cháy để thực hiện công cơ học. Pin lưu trữ năng lượng điện, chuyển nó thành năng lượng hóa học, có thể được chuyển đổi lại thành năng lượng điện nếu cần. Pin nhiên liệu có khả năng rất hiệu quả. Trở lại năm 1824, nhà khoa học người Pháp Carnot đã chứng minh rằng các chu kỳ nén-giãn nở của động cơ đốt trong không thể mang lại hiệu suất chuyển hóa nhiệt năng (là hóa năng của nhiên liệu đốt) thành cơ năng trên 50%. Pin nhiên liệu không có bộ phận chuyển động (ít nhất là bên trong tế bào) và do đó không tuân theo định luật Carnot. Đương nhiên, chúng sẽ có hiệu suất hơn 50% và đặc biệt hiệu quả ở mức tải thấp. Do đó, xe chạy pin nhiên liệu đã sẵn sàng (và đã được chứng minh) tiết kiệm nhiên liệu hơn xe hơi bình thường trong điều kiện lái xe thực tế.
Pin nhiên liệu tạo ra dòng điện điện áp không đổi, có thể được sử dụng để điều khiển động cơ điện, thiết bị chiếu sáng và các hệ thống điện khác trên ô tô. Có một số loại pin nhiên liệu khác nhau về cách sử dụng quá trình hóa học... Pin nhiên liệu thường được phân loại theo loại chất điện phân mà chúng sử dụng. Một số loại pin nhiên liệu có triển vọng được sử dụng làm nguồn điện cho các nhà máy điện, trong khi một số loại khác có thể hữu ích cho các thiết bị di động nhỏ hoặc để lái ô tô.
Pin nhiên liệu kiềm là một trong những loại pin được phát triển sớm nhất. Chúng đã được sử dụng trong chương trình không gian của Hoa Kỳ từ những năm 1960. Các tế bào nhiên liệu như vậy rất dễ bị ô nhiễm và do đó cần hydro và oxy rất tinh khiết. Chúng cũng rất đắt tiền và do đó loại pin nhiên liệu này khó có thể được sử dụng rộng rãi trong ô tô.
Pin nhiên liệu dựa trên axit photphoric có thể được sử dụng trong các cơ sở lắp đặt cố định với công suất thấp. Chúng hoạt động ở nhiệt độ khá cao và do đó mất nhiều thời gian để làm ấm, điều này cũng làm cho chúng không hiệu quả khi sử dụng trên ô tô.
Pin nhiên liệu oxit rắn phù hợp hơn với các máy phát điện lớn, cố định có thể cung cấp điện cho các nhà máy hoặc cộng đồng. Loại pin nhiên liệu này hoạt động ở nhiệt độ rất cao (khoảng 1000 ° C). Nhiệt độ hoạt động cao tạo ra một số vấn đề nhất định, nhưng mặt khác, có một lợi thế - hơi nước do pin nhiên liệu tạo ra có thể được gửi đến các tuabin để tạo ra nhiều điện hơn. Nhìn chung, điều này cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống.
Một trong những hệ thống hứa hẹn nhất là Tế bào nhiên liệu màng trao đổi Protone (PEMFC). Hiện tại, loại pin nhiên liệu này có triển vọng nhất vì nó có thể đẩy ô tô, xe buýt và các phương tiện khác.

Các quá trình hóa học trong pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu sử dụng quy trình điện hóa kết hợp hydro với oxy từ không khí. Giống như pin, pin nhiên liệu sử dụng các điện cực (chất dẫn điện rắn) trong chất điện phân (môi trường dẫn điện). Khi các phân tử hydro tiếp xúc với điện cực âm (cực dương), các phân tử sau này bị phân tách thành proton và electron. Các proton di chuyển qua màng trao đổi proton (PEM) đến điện cực dương (cực âm) của pin nhiên liệu, tạo ra điện. Có một sự kết hợp hóa học giữa các phân tử hydro và oxy để tạo thành nước như một sản phẩm phụ của phản ứng này. Khí thải duy nhất từ \u200b\u200bpin nhiên liệu là hơi nước.
Điện do pin nhiên liệu tạo ra có thể được sử dụng trong quá trình truyền điện của xe (bao gồm bộ chuyển đổi điện và Động cơ không đồng bộ dòng điện xoay chiều) để lấy cơ năng để truyền động cho xe. Công việc của bộ chuyển đổi năng lượng điện là biến đổi dòng điện một chiều do pin nhiên liệu tạo ra thành dòng điện xoay chiều, mà động cơ kéo của xe hoạt động.


Sơ đồ pin nhiên liệu có màng trao đổi proton:
1 - cực dương;
2 - màng trao đổi proton (PEM);
3 - chất xúc tác (đỏ);
4 - cực âm

Tế bào nhiên liệu màng trao đổi Proton (PEMFC) sử dụng một trong những phản ứng đơn giản nhất của bất kỳ loại pin nhiên liệu nào.


Tế bào pin nhiên liệu riêng biệt

Hãy xem xét cách hoạt động của pin nhiên liệu. Cực dương, cực âm của pin nhiên liệu, dẫn các electron được giải phóng khỏi các phân tử hydro để chúng có thể được sử dụng trong một mạch (mạch) điện ngoài. Đối với điều này, các kênh được khắc trong đó, phân phối hydro đồng đều trên toàn bộ bề mặt của chất xúc tác. Cực âm (cực dương của pin nhiên liệu) có các rãnh khắc phân phối oxy trên bề mặt chất xúc tác. Nó cũng dẫn các electron trở lại từ vòng ngoài (mạch) đến chất xúc tác, nơi chúng có thể kết hợp với các ion hydro và oxy để tạo thành nước. Chất điện phân là một màng trao đổi proton. Nó là một vật liệu đặc biệt, tương tự như nhựa thông thường, nhưng có khả năng cho các ion tích điện dương đi qua và chặn sự di chuyển của các electron.
Chất xúc tác là một vật liệu đặc biệt tạo điều kiện cho phản ứng giữa oxy và hydro. Chất xúc tác thường được làm bằng bột bạch kim được phủ một lớp rất mỏng trên giấy than hoặc vải. Chất xúc tác phải nhám và xốp để bề mặt của nó có thể tiếp xúc tối đa với hydro và oxy. Mặt được phủ bạch kim của chất xúc tác nằm trước màng trao đổi proton (PEM).
Khí hydro (H 2) được cung cấp cho pin nhiên liệu dưới áp suất từ \u200b\u200bphía cực dương. Khi một phân tử H2 tiếp xúc với bạch kim trên chất xúc tác, nó phân tách thành hai phần, hai ion (H +) và hai điện tử (e–). Các điện tử được dẫn qua cực dương, tại đây chúng đi qua vòng ngoài (mạch), thực hiện công việc hữu ích (ví dụ, điều khiển động cơ điện) và quay trở lại từ phía cực âm của pin nhiên liệu.
Trong khi đó, ở phía cực âm của pin nhiên liệu, khí oxy (O 2) được đưa qua chất xúc tác, nơi nó tạo thành hai nguyên tử oxy. Mỗi nguyên tử này có điện tích âm mạnh thu hút hai ion H + qua màng, tại đây chúng kết hợp với một nguyên tử oxy và hai điện tử từ mạch ngoài (chuỗi) để tạo thành phân tử nước (H 2 O).
Phản ứng này trong một pin nhiên liệu duy nhất tạo ra công suất xấp xỉ 0,7 watt. Để nâng công suất lên mức yêu cầu, nhiều pin nhiên liệu riêng lẻ phải được kết hợp để tạo thành một ngăn xếp pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu dựa trên POM hoạt động ở nhiệt độ tương đối thấp (khoảng 80 ° C), có nghĩa là chúng có thể được làm nóng nhanh chóng đến nhiệt độ hoạt động và không yêu cầu hệ thống đắt tiền làm mát. Việc cải tiến liên tục các công nghệ và vật liệu được sử dụng trong các tế bào này đã đưa năng lượng của chúng đến gần mức mà một bộ pin gồm các tế bào nhiên liệu như vậy, chiếm một phần nhỏ trong cốp xe, có thể cung cấp năng lượng cần thiết để lái xe.
Trong những năm qua, hầu hết các nhà sản xuất xe hơi hàng đầu thế giới đều đầu tư rất nhiều vào các thiết kế xe chạy bằng pin nhiên liệu. Nhiều người đã chứng minh được những chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu với sức mạnh và hiệu suất năng động đạt yêu cầu, mặc dù chúng khá đắt.
Việc cải tiến thiết kế của những chiếc xe như vậy là rất chuyên sâu.


Một chiếc xe chạy pin nhiên liệu sử dụng một nhà máy điện dưới sàn

Xe NECAR V được sản xuất trên cơ sở xe Mercedes-Benz A-class, và toàn bộ nhà máy điện, cùng với các tế bào nhiên liệu, nằm dưới sàn xe. Một giải pháp mang tính xây dựng như vậy có thể đặt bốn hành khách và hành lý trên xe. Ở đây, không phải hydro mà metanol được dùng làm nhiên liệu cho xe. Metanol được chuyển đổi bằng máy cải cách (một thiết bị chuyển metanol thành hydro) thành hydro, cần thiết để cung cấp năng lượng cho pin nhiên liệu. Việc sử dụng bộ cải cách trên xe giúp cho việc sử dụng hầu hết các hydrocacbon làm nhiên liệu, giúp xe có thể tiếp nhiên liệu cho xe chạy bằng pin hiện có. Về lý thuyết, pin nhiên liệu không sản xuất gì ngoài điện và nước. Việc chuyển đổi nhiên liệu (xăng hoặc metanol) thành hydro, cần thiết cho pin nhiên liệu, phần nào làm giảm tính hấp dẫn với môi trường của một chiếc xe như vậy.
Honda, đã tham gia vào pin nhiên liệu từ năm 1989, sản xuất một lô nhỏ vào năm 2003 xe honda FCX-V4 với pin nhiên liệu kiểu màng trao đổi proton từ Ballard. Các pin nhiên liệu này tạo ra công suất điện 78 kW, trong khi động cơ kéo 60 kW và mô-men xoắn 272 Nm được sử dụng để dẫn động các bánh lái. Xe chạy pin nhiên liệu, so với ô tô truyền thống, có khối lượng ít hơn khoảng 40%. nó có động lực học tuyệt vời, và việc cung cấp hydro nén giúp nó có thể chạy tới 355 km.


Xe Honda FСX sử dụng năng lượng điện để chuyển động, thu được nhờ pin nhiên liệu.
Honda FCX là chiếc xe chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên trên thế giới nhận được chứng nhận của chính phủ Hoa Kỳ. Xe được chứng nhận theo tiêu chuẩn ZEV - Zero Emission Vehicle (xe không ô nhiễm). Honda sẽ không bán những chiếc xe này, nhưng sẽ chuyển khoảng 30 chiếc xe cho thuê. California và Tokyo, nơi đã có cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu hydro.


Mẫu xe ý tưởng Hy Wire của General Motors có hệ thống truyền động pin nhiên liệu

General Motors đang tiến hành nghiên cứu sâu rộng về việc phát triển và tạo ra các loại xe chạy bằng pin nhiên liệu.


Khung xe Hy Wire

Mẫu xe ý tưởng GM Hy Wire đã nhận được 26 bằng sáng chế. Chiếc xe dựa trên nền tảng chức năng dày 150 mm. Bên trong nền tảng là các xi lanh hydro, một nhà máy điện pin nhiên liệu và các hệ thống điều khiển phương tiện sử dụng công nghệ mới nhất điều khiển điện tử bằng dây. Khung xe Hy Wire là một nền tảng mỏng bao bọc tất cả các thành phần chính của xe: bình chứa hydro, pin nhiên liệu, pin, động cơ điện và hệ thống điều khiển. Cách tiếp cận thiết kế này giúp có thể thay đổi thùng xe trong quá trình vận hành. Công ty cũng tiến hành kiểm tra những Ô tô opel về pin nhiên liệu và thiết kế một nhà máy để sản xuất pin nhiên liệu.


Thiết kế của bình nhiên liệu "an toàn" cho hydro hóa lỏng:
1 - thiết bị chiết rót;
2 - bể ngoài;
3 - giá đỡ;
4 - cảm biến mức;
5 - thùng trong;
6 - đường nạp;
7 - cách nhiệt và chân không;
8 - lò sưởi;
9 - hộp cố định

Vấn đề sử dụng hydro làm nhiên liệu cho ô tô được chú ý nhiều công ty BMW... Cùng với Magna Steyer, nổi tiếng với công trình sử dụng hydro hóa lỏng trong khám phá vũ trụ, BMW đã phát triển một bình nhiên liệu hydro hóa lỏng có thể được sử dụng trong ô tô.


Các thử nghiệm đã xác nhận sự an toàn của việc sử dụng bình nhiên liệu hydro lỏng

Công ty đã thực hiện một loạt các thử nghiệm về độ an toàn của kết cấu theo các phương pháp tiêu chuẩn và khẳng định độ tin cậy của nó.
Năm 2002 tại Frankfurt Motor Show (Đức) chiếc xe đã được trưng bày Cooper mini Hydro, sử dụng hydro hóa lỏng làm nhiên liệu. Bình xăng chiếc xe này chiếm không gian giống như một bình xăng thông thường. Hydro trong chiếc xe này không được sử dụng cho pin nhiên liệu mà là nhiên liệu cho động cơ đốt trong.


Chiếc xe sản xuất đầu tiên trên thế giới sử dụng pin nhiên liệu thay vì pin

Năm 2003, BMW công bố sản xuất chiếc xe sản xuất đầu tiên sử dụng pin nhiên liệu, BMW 750 hL. Pin nhiên liệu được sử dụng thay cho pin truyền thống. Chiếc xe này có động cơ đốt trong 12 xi-lanh chạy bằng hydro, và pin nhiên liệu thay thế cho pin thông thường, cho phép điều hòa không khí và các thiết bị tiêu thụ điện khác hoạt động khi xe không chạy trong thời gian dài.


Việc tiếp nhiên liệu bằng hydro được thực hiện bởi một robot, người lái xe không tham gia vào quá trình này

Cùng một công ty BMW cũng phát triển robot chiết rótcung cấp nhiên liệu nhanh chóng và an toàn cho ô tô bằng hydro hóa lỏng.
Một số lượng lớn các phát triển trong những năm gần đây nhằm tạo ra các phương tiện sử dụng nhiên liệu thay thế và các nhà máy điện thay thế cho thấy rằng động cơ đốt trong, vốn đã thống trị ô tô trong thế kỷ qua, cuối cùng sẽ nhường chỗ cho các động cơ sạch hơn, hiệu quả hơn với môi trường. và thiết kế im lặng. Sự phân bố rộng rãi của chúng hiện đang bị hạn chế không phải bởi kỹ thuật, mà là bởi các vấn đề kinh tế và xã hội. Để chúng được sử dụng rộng rãi, cần phải tạo ra một cơ sở hạ tầng nhất định cho việc phát triển sản xuất các loại nhiên liệu thay thế, tạo ra và phân phối trạm đổ xăng và để vượt qua một số rào cản tâm lý. Việc sử dụng hydro làm nhiên liệu ô tô sẽ đòi hỏi các vấn đề về lưu trữ, vận chuyển và phân phối, với các biện pháp an toàn nghiêm túc.
Về lý thuyết, hydro có sẵn với số lượng không giới hạn, nhưng việc sản xuất ra nó rất tốn năng lượng. Ngoài ra, để chuyển ô tô sang làm việc bằng nhiên liệu hydro, cần thực hiện hai thay đổi lớn đối với hệ thống điện: thứ nhất, chuyển hoạt động của nó từ xăng sang metanol, sau đó, một thời gian là chuyển sang hydro. Sẽ mất một thời gian trước khi vấn đề này được giải quyết.

Pin nhiên liệu ( Pin nhiên liệu) Là thiết bị biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Về nguyên tắc, nó tương tự như pin thông thường, nhưng khác ở chỗ, hoạt động của nó đòi hỏi phải cung cấp liên tục các chất từ \u200b\u200bbên ngoài để phản ứng điện hóa xảy ra. Các tế bào nhiên liệu được cung cấp hydro và oxy, và đầu ra là điện, nước và nhiệt. Ưu điểm của chúng bao gồm thân thiện với môi trường, độ tin cậy, độ bền và dễ sử dụng. Không giống như pin thông thường, bộ chuyển đổi điện hóa có thể hoạt động gần như vô thời hạn miễn là cung cấp nhiên liệu. Họ không cần phải sạc hàng giờ trước đó sạc đầy... Hơn nữa, bản thân các tế bào có thể sạc pin trong khi xe đang đỗ với động cơ đã tắt.

Phổ biến nhất trong các phương tiện chạy bằng hydro là pin nhiên liệu màng proton (PEMFC) và pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC).

Một pin nhiên liệu có màng trao đổi proton hoạt động như sau. Giữa cực dương và cực âm có một lớp màng đặc biệt và chất xúc tác phủ platin. Hydro được cung cấp cho cực dương và ôxy được cung cấp cho cực âm (ví dụ, từ không khí). Tại cực dương, hydro bị chất xúc tác phân hủy thành proton và electron. Các proton hydro đi qua màng và đập vào catốt, trong khi các electron được giải phóng ra mạch ngoài (màng không cho chúng đi qua). Do đó, sự chênh lệch điện thế thu được dẫn đến việc tạo ra một dòng điện. Ở phía cực âm, các proton hydro bị oxy hóa bởi oxy. Kết quả là hơi nước, là nguyên tố chính khí thải xe hơi. Sở hữu hiệu suất cao, các tế bào PEM có một nhược điểm đáng kể - chúng yêu cầu hydro tinh khiết để hoạt động, việc lưu trữ là một vấn đề khá nghiêm trọng.

Nếu một chất xúc tác được tìm thấy thay thế bạch kim đắt tiền trong các tế bào này, thì một loại pin nhiên liệu rẻ tiền để sản xuất điện sẽ ngay lập tức được tạo ra, có nghĩa là thế giới sẽ thoát khỏi sự phụ thuộc vào dầu mỏ.

Tế bào oxit rắn

Các tế bào oxit rắn SOFC đòi hỏi ít hơn đáng kể về độ tinh khiết của nhiên liệu. Ngoài ra, nhờ sử dụng bộ định dạng POX (Oxy hóa một phần), các tế bào này có thể tiêu thụ xăng thường xuyên làm nhiên liệu. Quá trình biến đổi xăng trực tiếp thành điện năng như sau. Trong một thiết bị đặc biệt - máy định dạng, ở nhiệt độ khoảng 800 ° C, xăng bay hơi và phân hủy thành các phần tử cấu thành của nó.

Điều này tạo ra hydro và carbon dioxide. Hơn nữa, cũng dưới tác động của nhiệt độ và sử dụng trực tiếp SOFС (bao gồm một vật liệu gốm xốp dựa trên oxit zirconi), hydro bị oxy hóa bởi oxy trong không khí. Sau khi thu được hydro từ xăng, quá trình tiếp tục theo kịch bản mô tả ở trên, chỉ có một điểm khác biệt: pin nhiên liệu SOFC, không giống như các thiết bị hoạt động bằng hydro, ít nhạy cảm hơn với các tạp chất trong nhiên liệu ban đầu. Vì vậy chất lượng của xăng không được ảnh hưởng đến hoạt động của pin nhiên liệu.

Nhiệt độ hoạt động cao của SOFC (650-800 độ) là một nhược điểm đáng kể, quá trình khởi động mất khoảng 20 phút. Nhưng nhiệt lượng dư thừa không phải là vấn đề, vì nó được loại bỏ hoàn toàn bởi không khí còn lại và khí thải được tạo ra bởi máy cải tiến và chính pin nhiên liệu. Điều này cho phép hệ thống SOFC được tích hợp vào xe như một thiết bị độc lập trong vỏ bọc cách nhiệt.

Cấu trúc mô-đun cho phép đạt được điện áp yêu cầu bằng cách xâu chuỗi một bộ ô tiêu chuẩn. Và, có lẽ quan trọng nhất, từ quan điểm của việc thực hiện các thiết bị như vậy, SOFC không có các điện cực làm bằng bạch kim rất đắt tiền. Chính chi phí cao của các yếu tố này là một trong những trở ngại trong việc phát triển và phổ biến công nghệ PEMFC.

Các loại pin nhiên liệu

Hiện tại, có những loại pin nhiên liệu sau:

  • AFC - Alkaline Fuel Cell (pin nhiên liệu kiềm);
  • PAFC - Pin nhiên liệu axit photphoric (pin nhiên liệu axit photphoric);
  • PEMFC - Proton Exchange Membrane Fuel Cell (pin nhiên liệu có màng trao đổi proton);
  • DMFC - Direct Methanol Fuel Cell (pin nhiên liệu phân hủy methanol trực tiếp);
  • MCFC - Molten Carbonate Fuel Cell (pin nhiên liệu của cacbonat nóng chảy);
  • SOFC - Solid Oxide Fuel Cell (pin nhiên liệu oxit rắn).

Pin nhiên liệu (máy phát điện hóa) đại diện cho một phương pháp tạo ra năng lượng hiệu quả cao, bền, đáng tin cậy và thân thiện với môi trường. Ban đầu, chúng chỉ được sử dụng trong ngành công nghiệp vũ trụ, nhưng ngày nay máy phát điện hóa được sử dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau: đây là nguồn cung cấp năng lượng cho điện thoại di động và máy tính xách tay, động cơ xe cộ, nguồn cung cấp năng lượng tự động cho các tòa nhà, nhà máy điện tĩnh. Một số thiết bị này hoạt động như nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm, một số được sử dụng cho mục đích trình diễn hoặc đang trải qua các thử nghiệm trước khi sản xuất. Tuy nhiên, nhiều mô hình đã được sử dụng trong các dự án thương mại và được sản xuất hàng loạt.

Thiết bị

Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa có khả năng cung cấp tỷ lệ chuyển hóa cao năng lượng hóa học hiện có thành năng lượng điện.

Thiết bị pin nhiên liệu bao gồm ba phần chính:

  1. Bộ phận Phát điện;
  2. CPU;
  3. Máy biến điện áp.

Phần chính của pin nhiên liệu là phần phát điện, là một ngăn xếp được tạo thành từ các tế bào nhiên liệu riêng lẻ. Một chất xúc tác bạch kim được bao gồm trong cấu trúc của các điện cực của pin nhiên liệu. Với sự trợ giúp của các tế bào này, một dòng điện không đổi được tạo ra.

Một trong những thiết bị này có các đặc điểm sau: ở điện áp 155 vôn, đầu ra 1400 ampe. Pin có kích thước chiều rộng và chiều cao 0,9 m và chiều dài 2,9 m. Quá trình điện hóa trong nó được thực hiện ở nhiệt độ 177 ° C, đòi hỏi phải làm nóng pin tại thời điểm khởi động, cũng như loại bỏ nhiệt trong quá trình hoạt động của nó. Với mục đích này, một mạch nước riêng biệt được bao gồm trong pin nhiên liệu và pin được trang bị các tấm làm mát đặc biệt.

Quá trình nhiên liệu chuyển đổi khí tự nhiên thành hydro, cần thiết cho phản ứng điện hóa. Yếu tố chính của bộ xử lý nhiên liệu là bộ cải cách. Trong đó, khí tự nhiên (hoặc nhiên liệu chứa hydro khác) tương tác ở áp suất cao và nhiệt độ cao (khoảng 900 ° C) với hơi nước dưới tác dụng của chất xúc tác - niken.

Có đầu đốt để duy trì nhiệt độ cần thiết của máy cải tiến. Hơi nước cần thiết cho quá trình tái tạo được tạo ra từ nước ngưng. Dòng điện một chiều không ổn định được tạo ra trong ngăn xếp pin nhiên liệu và một bộ chuyển đổi điện áp được sử dụng để chuyển đổi nó.

Ngoài ra trong khối biến đổi điện áp còn có:

  • Thiết bị kiểm soát.
  • Các mạch khóa liên động an toàn ngắt pin nhiên liệu trong các lỗi khác nhau.

Nguyên tắc hoạt động

Phần tử đơn giản nhất có màng trao đổi proton bao gồm một màng polyme nằm giữa cực dương và cực âm, cũng như các chất xúc tác cực âm và cực dương. Màng polyme được sử dụng làm chất điện phân.

  • Màng trao đổi proton trông giống như một hợp chất hữu cơ rắn mỏng có độ dày nhỏ. Màng này hoạt động như một chất điện phân; khi có nước, nó phân chia chất thành các ion tích điện âm và dương.
  • Quá trình oxy hóa bắt đầu ở cực dương, và quá trình khử xảy ra ở cực âm. Cực âm và cực dương trong tế bào PEM được làm bằng vật liệu xốp, nó là hỗn hợp của bạch kim và các hạt cacbon. Platin đóng vai trò là chất xúc tác thúc đẩy phản ứng phân ly. Cực âm và cực dương được làm xốp để oxy và hydro có thể tự do đi qua chúng.
  • Cực dương và cực âm nằm giữa hai tấm kim loại, chúng cung cấp oxy và hydro cho cực âm và cực dương, đồng thời loại bỏ năng lượng điện, nhiệt và nước.
  • Các phân tử hydro đi qua các kênh trong bản đến cực dương, tại đây các phân tử bị phân hủy thành nguyên tử.
  • Kết quả của quá trình hấp thụ hóa học, khi tiếp xúc với chất xúc tác, các nguyên tử hydro được chuyển đổi thành các ion hydro tích điện dương H +, nghĩa là, proton.
  • Các proton khuếch tán đến catốt qua màng, và dòng electron đi đến catốt thông qua một mạch điện bên ngoài đặc biệt. Một tải được kết nối với nó, tức là một phần tiêu thụ năng lượng điện.
  • Oxy, được cung cấp cho catốt, khi tiếp xúc sẽ tham gia vào phản ứng hóa học với các electron từ mạch điện bên ngoài và các ion hydro từ màng trao đổi proton. Phản ứng hóa học này tạo ra nước.

Phản ứng hóa học xảy ra trong các loại pin nhiên liệu khác (ví dụ, với chất điện phân có tính axit ở dạng axit photphoric H3PO4) hoàn toàn giống với phản ứng của thiết bị có màng trao đổi proton.

Các loại

Hiện tại, một số loại pin nhiên liệu đã được biết đến, chúng khác nhau về thành phần của chất điện phân được sử dụng:

  • Pin nhiên liệu dựa trên axit photphoric hoặc axit photphoric (PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells).
  • Thiết bị có màng trao đổi proton (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cells).
  • Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC, Solid Oxide Fuel Cells).
  • Máy phát điện hóa dựa trên cacbonat nóng chảy (MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells).

Hiện tại, máy phát điện sử dụng công nghệ PAFC đã trở nên phổ biến hơn.

Ứng dụng

Ngày nay, pin nhiên liệu được sử dụng trong Tàu con thoi, tàu vũ trụ có thể tái sử dụng. Họ sử dụng cài đặt với công suất 12 watt. Chúng tạo ra tất cả điện năng trong tàu vũ trụ. Nước được tạo ra từ phản ứng điện hóa được sử dụng để uống, bao gồm cả thiết bị làm mát.

Máy phát điện hóa cũng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho tàu Buran của Liên Xô, một con tàu có thể tái sử dụng.

Pin nhiên liệu cũng được sử dụng trong lĩnh vực dân dụng.

  • Các thiết bị văn phòng phẩm có công suất từ \u200b\u200b5–250 kW trở lên. Chúng được sử dụng làm nguồn tự động để cung cấp nhiệt và điện cho các tòa nhà công nghiệp, công cộng và dân cư, nguồn cung cấp điện khẩn cấp và dự phòng, nguồn điện liên tục.
  • Các thiết bị di động có công suất từ \u200b\u200b1–50 kW. Chúng được sử dụng cho vệ tinh không gian và tàu. Các mô hình đang được tạo ra cho xe golf, xe lăn, đường sắt và tủ lạnh chở hàng, biển báo đường bộ.
  • Các đơn vị di động có công suất 25–150 kW. Chúng bắt đầu được sử dụng trong tàu chiến và tàu ngầm, bao gồm cả ô tô và các xe cộ... Các nguyên mẫu đã được tạo ra bởi những gã khổng lồ ô tô như Renault, Neoplan, Toyota, Volkswagen, Hyundai, Nissan, VAZ, General Motors, Honda, Ford và những người khác.
  • Các thiết bị siêu nhỏ có công suất từ \u200b\u200b1-500 W. Họ tìm thấy ứng dụng trong máy tính bỏ túi, máy tính xách tay, hộ gia đình có kinh nghiệm các thiết bị điện tử, điện thoại di động, thiết bị quân sự hiện đại.

Đặc trưng:

  • Một phần năng lượng của phản ứng hóa học trong mỗi pin nhiên liệu được giải phóng dưới dạng nhiệt. Yêu cầu làm mát. Ở mạch ngoài, dòng electron tạo ra dòng điện không đổi được dùng để thực hiện công. Dừng chuyển động của các ion hydro hoặc mở mạch ngoài dẫn đến việc dừng phản ứng hóa học.
  • Lượng điện do pin nhiên liệu tạo ra được xác định bởi áp suất khí, nhiệt độ, kích thước hình học và loại pin nhiên liệu. Để tăng lượng điện do phản ứng tạo ra, kích thước của các tế bào nhiên liệu có thể được làm lớn hơn, nhưng trên thực tế, một số tế bào được sử dụng để kết hợp thành pin.
  • Quá trình hóa học trong một số loại pin nhiên liệu có thể được đảo ngược. Tức là, khi một hiệu điện thế được đặt vào các điện cực, nước có thể bị phân hủy thành oxy và hydro, chúng sẽ được thu thập trên các điện cực xốp. Khi bật tải, pin nhiên liệu như vậy sẽ tạo ra năng lượng điện.

Quan điểm

Hiện tại, các máy phát điện hóa để sử dụng làm nguồn năng lượng chính đòi hỏi chi phí ban đầu cao. Với sự ra đời của các màng ổn định hơn với độ dẫn điện cao, chất xúc tác hiệu quả và rẻ, và các nguồn hydro thay thế, pin nhiên liệu sẽ trở nên hấp dẫn về mặt kinh tế và sẽ được giới thiệu ở khắp mọi nơi.

  • Những chiếc xe sẽ chạy bằng pin nhiên liệu, hoàn toàn không có động cơ đốt trong. Nước hoặc hydro ở trạng thái rắn sẽ được sử dụng làm nguồn năng lượng. Tiếp nhiên liệu sẽ đơn giản và an toàn, đồng thời việc lái xe thân thiện với môi trường - chỉ tạo ra hơi nước.
  • Tất cả các tòa nhà sẽ có máy phát pin nhiên liệu di động của riêng họ.
  • Máy phát điện hóa sẽ thay thế tất cả pin và sẽ được tìm thấy trong bất kỳ thiết bị điện tử và thiết bị gia dụng nào.

Ưu điểm và nhược điểm

Mỗi loại pin nhiên liệu đều có những ưu nhược điểm riêng. Một số yêu cầu nhiên liệu chất lượng cao, một số khác có thiết kế phức tạp và yêu cầu nhiệt độ hoạt động cao.

Nói chung, các ưu điểm sau của pin nhiên liệu có thể được chỉ ra:

  • an toàn cho môi trường;
  • máy phát điện hóa không cần sạc lại;
  • máy phát điện hóa có thể tạo ra năng lượng liên tục, họ không quan tâm đến điều kiện bên ngoài;
  • linh hoạt về quy mô và tính di động.

Trong số những bất lợi là:

  • khó khăn kỹ thuật đối với việc lưu trữ và vận chuyển nhiên liệu;
  • các yếu tố không hoàn hảo của thiết bị: chất xúc tác, màng, v.v.


Các bài báo tương tự