Célula de combustível
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Célula de combustível


As células de combustível movidos a hidrogênio, um combustível que pode ser feita por qualquer indivíduo ou nação que tem um fornecimento de água e energia elétrica, o que significa que há pouca chance de monopolização ou de fixação de preços.

As células de combustível movidos a hidrogênio, um combustível que pode ser feita por qualquer indivíduo ou nação que tem um fornecimento de água e energia elétrica, o que significa que há pouca chance de monopolização ou de fixação de preços.

Uma célula de combustível é um eletroquímica dispositivo semelhante a uma bateria , mas diferindo deste na medida em que é concebido para reabastecimento contínuo dos reagentes consumidos; isto é, que produz eletricidade a partir de um fornecimento externo de combustível em oposição à capacidade limitada de armazenamento da energia interna de uma bateria.

Típicos reagentes usados ??numa célula de combustível são hidrogénio no ânodo e do lado de oxigénio no cátodo lado (uma célula de hidrogénio). Em contraste, as baterias convencionais consumir reagentes sólidos e, uma vez que estes reagentes estejam esgotados, deve ser descartado, recarregada com electricidade , executando a reacção química para trás, ou, pelo menos em teoria, fazendo com que os eléctrodos substituído. Tipicamente, as células de combustível, os reagentes fluir para dentro e fluxo para fora os produtos de reacção, e a operação contínua a longo prazo é viável virtualmente desde que estes fluxos são mantidas.

As células de combustível também são atraentes em algumas aplicações para a sua alta eficiência e baixa poluição. (O únicosubproduto de uma célula de combustível de hidrogênio é vapor de água ).

NOTA: A baixa poluição acima referido é a de um sistema fechado de célula de combustível. O nível de poluição em geral o uso de células de combustível é ainda dependente da poluição gerada ao fazer o reagente. Por exemplo, se o reagente utilizado é o hidrogénio, o nível geral de poluição criada pela célula de combustível que incluem a poluição gerada, enquanto a produção de electricidade, que é utilizado na fabricação de hidrogénio.

Algumas aplicações que foram sugeridas incluem

Princípio de funcionamento de uma célula de combustível

Princípio de funcionamento de uma célula de combustível

Tipos de células de combustível

Existem vários tipos de células de combustível:

Ciência

As células a combustível são dispositivos electroquímicos, para que eles não são limitados pelo (térmica máxima Carnot ) eficiência como motores de combustão são. Por conseguinte, eles podem ter eficiências muito elevadas na conversão de energia química deenergia eléctrica .

No exemplo arquetípico de um hidrogênio / oxigênio membrana de troca de prótons (ou "eletrólito polimérico") célula de combustível (PEMFC), um próton -conducting membrana polimérica separa os ânodo e cátodo lados. Cada lado tem um eletrodo , tipicamente papel carbono revestido com platina catalisador .

No lado do ânodo, o hidrogênio se difunde para o catalisador do ânodo, onde ela se dissocia em prótons e elétrons . Os protões são conduzidos através da membrana para o cátodo, os electrões mas é forçado a viajar em um externo circuito (fornecimento de energia) porque a membrana é isolante eletronicamente.

No catalisador catódico, oxigénio moléculas reagem com os electrões (que tenham viajado através do circuito externo) e protões para formar água.

Neste exemplo, o único produto de desperdício é vapor de água e / ou líquido água .

As células de combustível não pode armazenar energia como uma bateria, mas em algumas aplicações, como usinas de energia autônomos com base em fontes descontínuas (, energia eólica solar), eles são combinados com eletrolisadores e sistemas de armazenamento para formar um sistema de armazenamento de energia. A eficiência de ida e volta (eletricidade em hidrogênio e de volta a eletricidade) dessas plantas é entre 30 e 40%.

História

O princípio da célula de combustível foi descoberto pelo cientista suíço Christian Friedrich Schönbein em 1838 e publicado na edição de janeiro de 1839 edição do "Philosophical Magazine" [1] ( http://www.efcf.com/media/ep010813.shtml ) . Com base neste trabalho, a primeira célula de combustível foi desenvolvido pelo cientista galês Sir William Grove . Um esboço foi publicado em 1843 , mas foi só em 1932 que o engenheiro britânico Francis Bacon Thomas desenvolveu dispositivos de células de combustível de sucesso. Vinte e sete anos depois, em 1959 , Bacon e seus colegas demonstraram uma prática unidade de cinco quilowatts capaz de alimentar uma máquina de solda. Nos anos 1960 patentes de Bacon foram licenciados pela Pratt and Whitney desde os EUA, onde os conceitos foram utilizados no programa espacial dos EUA para fornecer eletricidade e água potável (hidrogênio e oxigênio estar prontamente disponível a partir dos tanques da nave espacial). Extremamente materiais caros foram usadas e as células de combustível de hidrogénio necessário muito puro e oxigénio. As primeiras células de combustível tendem a exigir temperaturas inconvenientemente elevados de funcionamento que eram um problema em muitas aplicações. No entanto, as células de combustível foram vistos a ser desejável, devido às grandes quantidades de combustível disponíveis (hidrogênio e oxigênio).

Outros avanços tecnológicos nos anos 1980 e 1990 , como o uso de Nafion como o eletrólito , e reduções na quantidade de caroplatina catalisador necessário, fizeram a perspectiva de células de combustível em aplicações de consumo, como automóveis mais realistas. (Veja carro hidrogênio )

A indústria de células de combustível

Um veículo movido a célula de combustível projetado por

Um veículo movido a célula de combustível projetado pela General Motors

Ballard Power Systems é um dos principais fabricantes de células de combustível e reivindicações para liderar o mundo na automotivotecnologia de célula de combustível. Ford Motor Company e DaimlerChrysler são os principais investidores em Ballard. Em 2003 , a maioria das empresas de automóveis eram clientes de Ballard, apenas com a General Motors e Toyota prosseguem desenvolvimento interno de células de combustível para uso automotivo; em 2004 Nissan e Honda começou a programas de investigação similares.

Após os dois anos de projectos de demonstração de 3 ônibus em Chicago e Vancouver (1998-2000), DaimlerChrysler ônibus movidos a células de combustível entrou em uso público em nove cidades em toda a União Europeia em 2004. As células de combustível nos ônibus foram fabricados pela Ballard Power Systems . Projecto CUTE da UE (Clean Urban Transport for Europe) é o maior de seu tipo em qualquer lugar do mundo. Estes autocarros reduzir a poluição e ruído, e dar um passeio suave e sem vibrações. O julgamento de Londres, por exemplo, co-financiado pela Direcção-Geral da Comissão Europeia para a Energia e dos Transportes, é executado no Route 25 de Oxford Circus (no centro da cidade) para Ilford, no East End. A companhia de petróleo BP está fornecendo as instalações de reabastecimento de hidrogênio em 5 dos 9 cidades julgamento, incluindo Londres. Veja Transportes do Governo do Reino Unido para Londres Fuel Cell Ônibus PDF ( http://www.tfl.gov.uk/buses/downloads/fuel-cell-buses.pdf ) para obter uma descrição do julgamento de Londres.

Perth, na Austrália Ocidental também está participando do teste com células de combustível de três autocarros movidos agora operando entre Perth e do porto da cidade de Fremantle. O julgamento está a ser alargado a outras cidades australianas durante os próximos três anos.

United Technologies ( UTX ) foi a primeira empresa a fabricante e comercializar um sistema de célula de combustível de grande e pesado, para uso na co-geração de usinas de energia em hospitais e grandes prédios de escritórios , mas, desde então, produto devido aos altos custos da tecnologia de ácido fosfórico usado. UTC Fuel Cells subsidiária da UTX [3] (http://www.utcfuelcells.com/fuelcells/index.shtm ) continua a ser o único fornecedor de células de combustível para NASA para uso em veículos espaciais e está também a desenvolver células de combustível para carros e ônibus.

No final de 2004, Mechanical Technology Inc. subsidiária 's, MTI MicroFuel Cells estreou sua primeira célula combustível de metanol direto (DMFC) para uso comercial. Recarregável tecnologia pacote de energia livre de cabo Mobion ? da MTI é composto por uma célula de combustível que funciona em 100% (puro) Metanol. Linha de MTI Mobion está sendo lançado em industrial, consumidor e mercados militares como um substituto de baixo custo para as baterias de lítio-íon. Como da Frost & Sullivan 2005 Fuel Cell Empresa Empreendedora do Ano, à espera de ouvir mais sobre sua tecnologia Mobion ? MTI e no futuro próximo.

Vantagens e desvantagens de células de combustível em várias aplicações

Os efeitos ambientais de células de combustível de hidrogênio

O uso de células de combustível é controversa em algumas aplicações. O hidrogênio normalmente usado como combustível não é uma fonte primária de energia: é apenas um portador de energia, e tem que ser fabricado usando a energia de outras fontes. Alguns críticos dos estágios atuais dessa tecnologia argumentam que a energia necessária para criar o combustível em primeiro lugar pode reduzir o máximo de eficiência energética do sistema para abaixo dos mais eficientes gasolina de combustão interna motores; isto é especialmente verdade se o hidrogénio tem de ser comprimido a pressões elevadas, como acontece em aplicações em automóveis (aelectrólise da água é em si um processo bastante eficiente). Tem que se observar, porém, que até mesmo os motores de combustão interna mais eficientes não são muito eficientes em termos absolutos.

Como uma alternativa para electrólise, o hidrogénio pode ser gerado a partir de metano (o componente principal do gás natural ) com uma eficiência de aproximadamente 80%. O método de conversão de metano libera gases de efeito estufa , mas, uma vez que a produção está concentrada em uma academia, e não distribuído em cada veículo ou utilitário, é possível separar os gases e elimine de forma adequada, por exemplo, injetando-os em um óleo ou reservatório de gás.

Outros tipos de células de combustível não enfrentam estes problemas. Por exemplo, as células de combustível biológico tomarglicose e metanol a partir de restos de comida e convertê-la em hidrogênio e alimento para as bactérias.

Questões de design de célula de combustível

Para fazer com que as células de combustível economicamente competitivo, há muitos problemas práticos a serem superados também. A gestão da água continua a ser um problema fundamental na Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC). Não há água suficiente e o polímero perde sua capacidade de conduzir os prótons através da célula, muito e os eletrodos vai inundar, parando a reação. Mantendo o nível de água em equilíbrio pode ser um processo complicado.

Ao mesmo tempo muitas outras variáveis ??devem ser manipuladas, incluindo a temperatura em toda a célula (que altera e, por vezes, pode destruir uma célula de carga por meio térmico), o reagente e os níveis de produtos em várias células. Os materiais devem ser escolhidos para fazer várias tarefas que nenhum encher completamente. Durabilidade e vida útil das células podem ser problemas graves para algumas células, densidades de baixa potência para os outros. Colocando todos estes fatores juntos não foi conseguido ainda decisivamente, e continua a ser o desafio.

Na utilização do veículo, muitos problemas são ampliados. Por exemplo, os carros devem ser obrigados a iniciar em quaisquer condições meteorológicas, uma pessoa pode razoavelmente esperar encontrar. As células de combustível não têm dificuldade para operar nos locais mais quentes, mas o mais frio fazer representar um problema. FCX da Honda é a primeira célula de combustível de veículo movido para iniciar de forma confiável em temperaturas muito baixas, mas as temperaturas inferiores a 10 graus F ainda proibir a pilha de células de combustível a partir de partida.

Aplicações de células de combustível

As células de combustível são muito úteis como fontes de energia em locais remotos, como naves espaciais, estações meteorológicas remotas, e em certas aplicações militares. Um sistema de células de combustível a hidrogénio pode ser compacto, leve e tem relativamente poucas peças móveis.

A aplicação futura é combinada de calor e energia para residências e edifícios de escritórios. Isto é economicamente possível em áreas onde o custo do gás natural é muito mais baixa do que a de energia eléctrica. Este tipo de sistema daria energia eléctrica praticamente constante (vendê-la à grelha quando não é consumido no interior do edifício) e ao mesmo tempo produzir água quente a partir do calor residual. A técnica mais susceptível de ser utilizado para isto é SOFC , mas existem também protótipos para PEMsistemas baseados.

Como as células de combustível têm um alto custo por quilowatt, e porque a sua eficiência cai com o aumento da densidade de potência, eles geralmente não são considerados para aplicações com altas variações de carga. Em particular, eles não são adequados para sistemas de armazenamento de energia, a menos que o peso é uma consideração importante. Uma célula de combustível electrolyzer e voltaria a menos de 50 por cento da energia de entrada, enquanto um muito mais barato bateria de chumbo-ácido pode retornar cerca de 90 por cento.

O primeiro posto de abastecimento de hidrogênio foi construído em Reykjavík , Islândia em abril de 2003 . Esta estação serve três ônibus construídos pela DaimlerChrysler que estão em serviço no transporte público líquido de Reykjavík. A estação produz o hidrogênio que precisa-se de uma unidade de eletrólise (produzido pela Norsk Hydro ), e não precisa de enchimento. Shell também é parceira no projeto. A estação tem nenhum telhado a fim de permitir que qualquer hidrogénio vazado para escapar para a atmosfera.Atualmente, uma equipe de estudantes universitários está planejando pegar um barco movido a célula de combustível de hidrogênio em todo o mundo. Seu empreendimento é chamado A Expedição Hydrogen ( http://www.thehydrogenexpedition.com ) .

Patente

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