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¿Qué son las pilas de combustible?
La electrónica móvil cada año, si no un mes, es cada vez más accesible y generalizada. Aquí tiene computadoras portátiles, PDA, cámaras digitales y teléfonos móviles, y una tonelada de todo tipo de dispositivos útiles y no tan útiles. Y todos estos dispositivos están adquiriendo continuamente nuevas características, procesadores más potentes, pantallas a color de gran tamaño, comunicaciones inalámbricas, al mismo tiempo que disminuyen de tamaño. Pero, a diferencia de las tecnologías de semiconductores, las tecnologías de potencia de toda esta colección de móviles no van a pasos agigantados.
Las baterías recargables convencionales y las baterías claramente no son suficientes para impulsar los últimos avances en la industria electrónica durante un período de tiempo considerable. Y sin baterías confiables y de gran capacidad, se pierde todo el punto de movilidad e inalámbrica. Entonces, la industria informática está trabajando cada vez más activamente en el problema fuentes de alimentación alternativas. Y la dirección más prometedora hoy es pilas de combustible.
El principio básico del funcionamiento de la pila de combustible fue descubierto por el científico británico Sir William Grove en 1839. Es conocido como el padre de la celda de combustible. William Grove generó electricidad cambiando electrólisis de agua para extraer hidrógeno y oxígeno. Después de desconectar la batería de la celda electrolítica, Grove se sorprendió al descubrir que los electrodos comenzaron a absorber el gas liberado y a generar corriente. Proceso de apertura combustión electroquímica en frío de hidrógeno un evento en el sector energético se volvió significativo, y en el futuro, electroquímicos tan conocidos como Ostwald y Nernst jugaron un papel importante en el desarrollo de los fundamentos teóricos y la implementación práctica de las celdas de combustible y predijeron un gran futuro para ellos.
El mismo el término "pila de combustible" (pila de combustible) apareció más tarde, fue propuesto en 1889 por Ludwig Mond y Charles Langer, quienes intentaron crear un dispositivo para generar electricidad a partir del aire y el gas de carbón.
Durante la combustión normal, el oxígeno oxida los combustibles fósiles, y la energía química del combustible se convierte de manera ineficaz en energía térmica. Pero resultó posible llevar a cabo la reacción de oxidación, por ejemplo, hidrógeno con oxígeno, en un medio electrolítico y en presencia de electrodos para obtener una corriente eléctrica. Por ejemplo, al suministrar hidrógeno a un electrodo ubicado en un medio alcalino, obtenemos electrones:
2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-
que, pasando a través de un circuito externo, va al electrodo opuesto, al que ingresa el oxígeno y donde tiene lugar la reacción: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-
Se puede ver que la reacción resultante 2H2 + O2 → H2O es la misma que durante la combustión normal, pero en la celda de combustible, o de lo contrario, en generador electroquímico, resulta corriente eléctrica con alta eficiencia y parcialmente calor. Tenga en cuenta que carbón, monóxido de carbono, alcoholes, hidrazina, otras sustancias orgánicas también pueden usarse como combustible en celdas de combustible, y aire, peróxido de hidrógeno, cloro, bromo, ácido nítrico, etc. pueden usarse como agentes oxidantes.
El desarrollo de las pilas de combustible continuó vigorosamente tanto en el extranjero como en Rusia, y aún más en la URSS. Entre los científicos que hicieron una gran contribución al estudio de las celdas de combustible, mencionamos a V. Zhako, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordes. A mediados del siglo pasado, comenzó un nuevo asalto a los problemas de las celdas de combustible. Esto se debe en parte a la aparición de nuevas ideas, materiales y tecnologías como resultado de la investigación de defensa.
Uno de los científicos que dio un paso importante en el desarrollo de las celdas de combustible fue P. M. Spiridonov. Elementos hidrógeno-oxígeno de Spiridonov dio una densidad de corriente de 30 mA / cm2, que en ese momento se consideraba un gran logro.En los años cuarenta, O. Davtyan creó una instalación para la combustión electroquímica de gas generador obtenido por gasificación de carbón. Con cada metro cúbico de volumen del elemento, Davtyan recibió 5 kW de potencia.
Eso fue primera pila de combustible de electrolito sólido. Tenía una alta eficiencia, pero con el tiempo, el electrolito se volvió inutilizable y tuvo que ser cambiado. Posteriormente, Davtyan a finales de los años cincuenta creó una poderosa instalación que impulsa el tractor. En esos mismos años, el ingeniero inglés T. Bacon diseñó y construyó una batería de celda de combustible con una capacidad total de 6 kW y una eficiencia del 80%, que funciona con hidrógeno puro y oxígeno, pero la relación de potencia al peso de la batería era demasiado pequeña; tales elementos no eran adecuados para un uso práctico y también queridos
En los años siguientes, el tiempo de los solitarios ha pasado. Los creadores de naves espaciales se interesaron en las celdas de combustible. Desde mediados de los años 60, se han invertido millones de dólares en investigación de celdas de combustible. El trabajo de miles de científicos e ingenieros permitió alcanzar un nuevo nivel, y en 1965. Las celdas de combustible se probaron en los Estados Unidos en la nave espacial Gemini 5, y más tarde en los barcos Apollo para vuelos a la luna y bajo el programa Shuttle.
En la URSS, se desarrollaron celdas de combustible en NPO Kvant, también para uso en el espacio. En esos años, ya aparecían nuevos materiales: electrolitos poliméricos sólidos basados en membranas de intercambio iónico, nuevos tipos de catalizadores, electrodos. Y, sin embargo, la densidad de corriente de trabajo era pequeña, en el rango de 100-200 mA / cm2, y el contenido de platino en los electrodos era de varios g / cm2. Hubo muchos problemas asociados con la durabilidad, la estabilidad y la seguridad.
La siguiente etapa de rápido desarrollo de las celdas de combustible comenzó en los años 90. siglo pasado y continúa ahora. Es causada por la necesidad de nuevas fuentes de energía eficientes debido, por un lado, al problema ambiental global del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero de la combustión de combustibles fósiles y, por otro lado, al agotamiento de dichos combustibles. Dado que el agua es el producto final de la combustión de hidrógeno en una celda de combustible, se consideran los más limpios desde el punto de vista del impacto ambiental. El principal problema es solo encontrar una forma efectiva y económica de producir hidrógeno.
Miles de millones de inversiones financieras en el desarrollo de pilas de combustible y generadores de hidrógeno deberían conducir a un avance tecnológico y hacer realidad su uso en la vida cotidiana: en las células de los teléfonos celulares, en los automóviles, en las centrales eléctricas. Ya, gigantes automovilísticos como Ballard, Honda, Daimler Chrysler, General Motors están demostrando automóviles y autobuses que funcionan con celdas de combustible de 50kW. Varias compañías han desarrollado plantas de demostración de pila de combustible de electrolito de combustible sólido de hasta 500 kW. Pero, a pesar de un avance significativo en la mejora del rendimiento de las celdas de combustible, muchos problemas aún deben resolverse en relación con su costo, confiabilidad y seguridad.
En una celda de combustible, a diferencia de las baterías y los acumuladores, tanto el combustible como el oxidante se suministran desde el exterior. La pila de combustible es solo un mediador en la reacción y, en condiciones ideales, podría funcionar casi para siempre. La belleza de esta tecnología es que de hecho, el combustible se quema en el elemento y la energía liberada se convierte directamente en electricidad. Con la combustión directa de combustible, se oxida con oxígeno, y el calor generado en este proceso se utiliza para completar un trabajo útil.
En una celda de combustible, como en las baterías, las reacciones de oxidación del combustible y reducción de oxígeno se separan espacialmente, y el proceso de "combustión" continúa solo si la celda emite corriente a la carga. Es como generador diesel, solo sin diesel y generador. Y también sin humo, ruido, sobrecalentamiento y con una eficiencia mucho mayor. Esto último se explica por el hecho de que, en primer lugar, no hay dispositivos mecánicos intermedios y, en segundo lugar, la pila de combustible no es un motor térmico y, por lo tanto, no obedece la ley de Carnot (es decir, su eficiencia no está determinada por la diferencia de temperatura).
El oxígeno se usa como agente oxidante en las celdas de combustible. Además, dado que el oxígeno es suficiente en el aire, no hay necesidad de preocuparse por el suministro de un agente oxidante. En cuanto al combustible, es hidrógeno. Entonces, la reacción ocurre en la celda de combustible:
2H2 + O2 → 2H2O + electricidad + calor.
El resultado es energía útil y vapor de agua. Lo más simple en su diseño es pila de combustible de membrana de intercambio de protones (ver figura 1). Funciona de la siguiente manera: el hidrógeno que ingresa al elemento se descompone bajo la acción del catalizador en electrones y iones de hidrógeno cargados positivamente H +. Luego entra en juego una membrana especial, que actúa aquí como un electrolito en una batería convencional. Debido a su composición química, pasa protones a través de sí mismo, pero atrapa electrones. Por lo tanto, los electrones acumulados en el ánodo crean un exceso de carga negativa, y los iones de hidrógeno crean una carga positiva en el cátodo (el voltaje en el elemento es de aproximadamente 1V).
Para crear alta potencia, se ensambla una celda de combustible a partir de una pluralidad de celdas. Si incluye un elemento en la carga, los electrones fluyen a través del mismo hacia el cátodo, creando una corriente y completando el proceso de oxidación del hidrógeno por el oxígeno. Como catalizador en tales pilas de combustible, se usan típicamente micropartículas de platino depositadas en una fibra de carbono. Debido a su estructura, dicho catalizador pasa bien el gas y la electricidad. La membrana está hecha típicamente de un polímero de Nafion que contiene azufre. El grosor de la membrana es igual a décimas de milímetro. Durante la reacción, por supuesto, también se libera calor, pero no tanto, de modo que la temperatura de funcionamiento se mantiene en el rango de 40-80 ° C.
Fig.1. El principio de funcionamiento de la pila de combustible.
Existen otros tipos de celdas de combustible, que difieren principalmente en el tipo de electrolito utilizado. Casi todos requieren hidrógeno como combustible, por lo que surge una pregunta lógica: dónde conseguirlo. Por supuesto, sería posible usar hidrógeno comprimido de los cilindros, pero inmediatamente hay problemas asociados con el transporte y almacenamiento de este gas altamente inflamable a alta presión. Por supuesto, puede usar hidrógeno en forma ligada como en las baterías de hidruro metálico. Pero aún así, la tarea sigue siendo su extracción y transporte, porque la infraestructura de las estaciones de servicio de hidrógeno no existe.
Sin embargo, también existe una solución: el combustible líquido de hidrocarburos se puede utilizar como fuente de hidrógeno. Por ejemplo, alcohol etílico o metílico. Es cierto, aquí ya se requiere un dispositivo adicional especial: un convertidor de combustible, que convierte los alcoholes en una mezcla de H2 y CO2 gaseosos a alta temperatura (para el metanol estará en algún lugar alrededor de 240 ° C). Pero en este caso ya es más difícil pensar en la portabilidad: tales dispositivos se usan bien como estacionarios o alternadores de automóvilesPero para equipos móviles compactos necesita algo menos engorroso.
Y aquí llegamos a ese dispositivo, cuyo desarrollo en el que casi todos los fabricantes más grandes de electrónica están involucrados con una fuerza terrible: pila de combustible de metanol (figura 2).
Fig.2. El principio de funcionamiento de la pila de combustible en metanol.
La diferencia fundamental entre los elementos de relleno de hidrógeno y metanol es el catalizador utilizado. El catalizador en la celda de combustible de metanol permite que los protones se eliminen directamente de la molécula de alcohol.Por lo tanto, el problema del combustible se está resolviendo: el alcohol metílico se produce en masa para la industria química, es fácil de almacenar y transportar, y para cargar una celda de combustible de metanol, es suficiente simplemente reemplazar el cartucho con combustible. Es cierto que hay una desventaja significativa: el metanol es tóxico. Además, la eficiencia de una celda de combustible de metanol es significativamente menor que la de una celda de hidrógeno.
Fig. 3. Pila de combustible de metanol
La opción más tentadora es usar alcohol etílico como combustible, ya que la producción y distribución de bebidas alcohólicas de cualquier composición y concentración está bien establecida en todo el mundo. Sin embargo, la eficiencia de las celdas de combustible de etanol, desafortunadamente, es incluso menor que la del metanol.
Como ya se observó durante muchos años de desarrollo en el campo de las celdas de combustible, se han construido varios tipos de celdas de combustible. Las celdas de combustible se clasifican por electrolito y tipo de combustible.
1. Polímero sólido de electrolito de hidrógeno-oxígeno.
2. Pilas de combustible de metanol de polímero sólido.
3. Elementos sobre electrolito alcalino.
4. Pilas de combustible de ácido fosfórico.
5. Pilas de combustible en carbonatos fundidos.
6. Pilas de combustible de óxido sólido.
Idealmente, la eficiencia de las celdas de combustible es muy alta, pero en condiciones reales hay pérdidas asociadas con procesos sin equilibrio, como pérdidas óhmicas debido a la conductividad del electrolito y electrodos, polarización de activación y concentración, pérdidas por difusión. Como resultado de esto, parte de la energía generada en las celdas de combustible se convierte en calor. Los esfuerzos de los especialistas están dirigidos a reducir estas pérdidas.
La principal fuente de pérdidas óhmicas, así como la razón del alto precio de las celdas de combustible, son las membranas de intercambio de iones de sulfocación perfluoradas. Ahora estamos buscando polímeros conductores de protones alternativos y más baratos. Dado que la conductividad de estas membranas (electrolitos sólidos) alcanza un valor aceptable (10 Ohm / cm) solo en presencia de agua, los gases suministrados a la celda de combustible deben humedecerse adicionalmente en un dispositivo especial, lo que también hace que el sistema sea más costoso. En los electrodos catalíticos de difusión de gas, se utilizan principalmente platino y algunos otros metales nobles, y hasta ahora no se ha encontrado ningún reemplazo. Aunque el contenido de platino en las celdas de combustible es de varios mg / cm2, para baterías grandes su cantidad alcanza decenas de gramos.
Al diseñar celdas de combustible, se presta mucha atención al sistema de eliminación de calor, ya que a altas densidades de corriente (hasta 1A / cm2) el sistema se calienta automáticamente. Para enfriar, se usa agua que circula en la celda de combustible a través de canales especiales, y a bajas capacidades, se usa soplado de aire.
Entonces, el sistema moderno del generador electroquímico, además de la batería de la celda de combustible en sí, "crece" con muchos dispositivos auxiliares, tales como: bombas, compresor para suministro de aire, entrada de hidrógeno, humidificador de gas, unidad de enfriamiento, sistema de control de fuga de gas, convertidor de CC a CA, procesador de control etc. Todo esto lleva al hecho de que el costo del sistema de celdas de combustible en 2004-2005 fue de 2-3 mil $ / kW. Según los expertos, las celdas de combustible estarán disponibles para su uso en el transporte y en plantas de energía estacionarias a un precio de 50-100 $ / kW.
Para la introducción de pilas de combustible en la vida cotidiana, junto con los componentes más baratos, debe esperar nuevas ideas y enfoques originales. En particular, las grandes esperanzas están asociadas con el uso de nanomateriales y nanotecnología. Por ejemplo, recientemente varias compañías anunciaron la creación de catalizadores súper eficientes, en particular, para un electrodo de oxígeno basado en grupos de nanopartículas de diversos metales. Además, ha habido informes del diseño de celdas de combustible sin membrana en las que se suministra combustible líquido (por ejemplo, metanol) a la celda de combustible junto con un agente oxidante.Un concepto interesante es el concepto desarrollado de elementos de biocombustibles que operan en aguas contaminadas y consumen oxígeno disuelto como agente oxidante, e impurezas orgánicas como combustible.
Según los expertos, las celdas de combustible ingresarán al mercado masivo en los próximos años. De hecho, los desarrolladores conquistan problemas técnicos uno tras otro, informan sobre éxitos y presentan prototipos de celdas de combustible. Por ejemplo, Toshiba ha demostrado un prototipo de celda de combustible de metanol terminada. Tiene un tamaño de 22x56x4.5 mm y ofrece una potencia del orden de 100 mW. Una recarga de combustible en 2 cubos de metanol concentrado (99.5%) es suficiente para 20 horas de trabajo del reproductor de MP3. Toshiba ha lanzado una pila de combustible comercial para alimentar teléfonos móviles. Nuevamente, el mismo Toshiba demostró un elemento para alimentar computadoras portátiles que miden 275x75x40 mm, permitiendo que la computadora funcione durante 5 horas con un solo repostaje.
Otra compañía japonesa, Fujitsu, no está muy lejos de Toshiba. En 2004, también introdujo un elemento que actúa sobre una solución acuosa de metanol al 30%. Esta pila de combustible funcionó en una recarga de combustible en 300 ml durante 10 horas y al mismo tiempo proporcionó una potencia de 15 vatios.
Casio está desarrollando una celda de combustible en la cual el metanol se procesa primero en una mezcla de H2 y CO2 gaseoso en un convertidor de combustible en miniatura, y luego se alimenta a la celda de combustible. Durante la demostración, el prototipo Casio proporcionó energía a la computadora portátil durante 20 horas.
Samsung también se destacó en el campo de las celdas de combustible: en 2004, demostró su prototipo de 12 W diseñado para alimentar una computadora portátil. En general, Samsung espera usar pilas de combustible, principalmente en teléfonos inteligentes de cuarta generación.
Debo decir que, en general, las empresas japonesas abordaron muy a fondo el desarrollo de pilas de combustible. En 2003, compañías como Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony y Toshiba unieron fuerzas para desarrollar un estándar común de celdas de combustible para computadoras portátiles, teléfonos móviles, PDA y otros dispositivos electrónicos. Las compañías estadounidenses, que también son numerosas en este mercado, trabajan principalmente bajo contratos con el ejército y desarrollan celdas de combustible para electrificar a los soldados estadounidenses.
Los alemanes no se quedan atrás: Smart Fuel Cell vende celdas de combustible para alimentar una oficina móvil. El dispositivo se llama Smart Fuel Cell C25, tiene dimensiones de 150x112x65 mm y puede producir hasta 140 vatios-hora en una sola estación de servicio. Esto es suficiente para alimentar la computadora portátil durante aproximadamente 7 horas. Luego se puede reemplazar el cartucho y puede continuar trabajando. El tamaño del cartucho con metanol es de 99x63x27 mm y pesa 150 g. El sistema en sí pesa 1,1 kg, por lo que no puedes llamarlo portátil en absoluto, pero sigue siendo un dispositivo completo y conveniente. La compañía también está desarrollando un módulo de combustible para alimentar cámaras de video profesionales.
En general, las celdas de combustible casi han ingresado al mercado de la electrónica móvil. Los fabricantes deben resolver los últimos problemas técnicos antes de comenzar la producción en masa.
En primer lugar, es necesario resolver el problema de la miniaturización de las celdas de combustible. Después de todo, cuanto más pequeña sea la celda de combustible, menos potencia podrá entregar, por lo que constantemente se desarrollan nuevos catalizadores y electrodos que permiten, en tamaños pequeños, maximizar la superficie de trabajo. Aquí, justo a tiempo, los desarrollos recientes en el campo de la nanotecnología y los nanomateriales (por ejemplo, los nanotubos) son muy útiles. Nuevamente, para miniaturizar el flejado de elementos (bombas de combustible y agua, sistemas de enfriamiento y conversiones de combustible), se están aplicando cada vez más los avances microelectromecánicos.
El segundo problema importante que debe abordarse es el precio. De hecho, como catalizador en la mayoría de las celdas de combustible, se usa platino muy caro.Una vez más, algunos de los fabricantes están tratando de aprovechar al máximo la tecnología de silicio ya bien desarrollada.
En cuanto a otras áreas del uso de celdas de combustible, las celdas de combustible ya están bien establecidas allí, aunque todavía no se han generalizado en el sector de la energía o en el transporte. Muchos fabricantes de automóviles ya han presentado sus concept cars con motor de pila de combustible. En varias ciudades del mundo, circulan autobuses con celdas de combustible. Canadian Ballard Power Systems produce una gama de generadores estacionarios que van de 1 a 250 kW. Al mismo tiempo, los generadores de kilovatios están diseñados para suministrar inmediatamente un apartamento con electricidad, calor y agua caliente.
Ver también: Fuentes alternativas de energía
Ver también en electro-es.tomathouse.com
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