Las pilas de combustible: tipos y principio de funcionamiento Bashny.Net

La pila de combustible es un dispositivo que efectivamente produce la corriente y el calor de un rico de combustible de hidrógeno mediante la reacción electroquímica.

La pila de combustible es similar a la batería en el sentido de que se produce una corriente constante a través de una reacción química. Una vez más, al igual que la pila de combustible элементвключает un ánodo, un cátodo y un electrolito. Sin embargo, a diferencia de las baterías, las pilas de combustible no pueden acumular la energía eléctrica, no se descargan y no requieren electricidad para la recarga. Las pilas de combustible constante de la generación de electricidad, siempre que tengan capacidad de combustible y de aire. El término correcto para describir el funcionamiento de una pila de combustible es un sistema de elementos, así como para completar el trabajo requiere la presencia de algunos de los sistemas de apoyo.

A diferencia de otros generadores de electricidad, tales como los motores de combustión interna o turbinas de gas, carbón, fuel-oil, etc., las pilas de combustible no se quema el combustible. Esto significa que no ruidosos de los rotores de alta presión, fuerte ruido con el escape y vibraciones. Las pilas de combustible generan electricidad a través de la silenciosa reacción electroquímica. Otra característica de pilas de combustible es lo que ellos convierten la energía química del combustible directamente en electricidad, calor y agua.

Las pilas de combustible son también muy eficaces y no producen gran cantidad de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono, metano y óxido de nitrógeno. El único producto de la emisión de la labor de las pilas de combustible son el agua en forma de vapor y una pequeña cantidad de dióxido de carbono, que no se separa, si se ha utilizado como combustible puro hidrógeno. Las pilas de combustible se reúnen en la asamblea y, a continuación, en distintos módulos funcionales.

 

El principio de funcionamiento de las pilas de combustiblelas pilas de Combustible generan electricidad y calor debido a que pasa la reacción electroquímica, utilizando un electrolito, el cátodo y el ánodo.



El ánodo y el cátodo se separan por el electrolito, conductoras de protones. Después de que el hidrógeno saldrá en el ánodo y oxígeno en el cátodo, se inicia una reacción química, por el que se generan corriente eléctrica, calor y agua. En el catalizador del ánodo molecular de hidrógeno диссоциирует y pierde electrones. Los iones de hidrógeno (protones) se llevan a cabo a través del electrolito hacia el cátodo, mientras que los electrones se omiten electrolito y pasan por el exterior de un circuito eléctrico, creando una corriente continua, que puede ser utilizado para la alimentación de los equipos. En el catalizador de un cátodo de una molécula de oxígeno se une con el electrón (que es de las comunicaciones externas) y que ha llegado el protón, y que forma el agua, que es el único producto de la reacción (en forma de vapor y/o líquido).

A continuación la reacción correspondiente:

La reacción en el ánodo: 2H2 => 4H+ + 4e-
La reacción en el cátodo: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
La respuesta general de un elemento: 2H2 + O2 => 2H2O

Tipos de pilas de combustible





Al igual que la existencia de diversos tipos de motores de combustión interna, existen diferentes tipos de pilas de combustible – para seleccionar el tipo correcto de combustible de los elementos depende de su aplicación.Las pilas de combustible se dividen en de alta temperatura y baja temperatura. Baja temperatura de las pilas de combustible requieren como combustible relativamente limpio de hidrógeno.

Esto a menudo significa que es necesario el tratamiento de combustible para la conversión de combustible primario (como el gas natural) en el hidrógeno. Este proceso consume energía adicional y requiere de un equipo especial. De alta temperatura de las pilas de combustible no necesitan este procedimiento adicional, ya que pueden ejercer "la transformación interna de combustibles a temperaturas elevadas, lo que significa que no es necesario meter por ellos dinero en водородную infraestructura.

 

Las pilas de combustible en el caldo de carbonato (РКТЭ).





Las pilas de combustible con el карбонатным electrolito son refrigerantes ecológicos de alta temperatura pila de combustible. De trabajo de alta temperatura permite usar directamente el gas natural, sin el procesador de combustible y gas combustible de bajo poder calorífico del combustible de los procesos de producción y de otras fuentes. Este proceso fue desarrollado a mediados de la década de 1960, Desde entonces, se ha mejorado la tecnología de la producción, el rendimiento y la fiabilidad.

El trabajo РКТЭ diferente de otros elementos combustibles. Estos elementos se utilizan un electrolito de mezclas fundidas de carbonato de sales. En la actualidad se utiliza dos tipos de mezclas: carbonato de litio y carbonato de potasio o de carbonato de litio y carbonato de sodio. Para расплавки de sales de carbonato y lograr un alto grado de movilidad de los iones en el electrolito, las pilas de combustible con el карбонатным el electrolito se realiza a altas temperaturas (650°C). La eficiencia varía entre 60 y 80%.

Cuando se calienta hasta una temperatura de 650°C, la sal se convierten en una guía para los iones carbonato (CO32-). Los datos de los iones pasan de cátodo al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno para formar agua, dióxido de carbono y de los electrones libres. Los datos de los electrones se dirigen por el exterior de un circuito nuevo en el cátodo, se genera una corriente eléctrica, y como subproducto – calor.

La reacción en el ánodo: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
La reacción en el cátodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
La respuesta general de un elemento: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(cátodo) => H2O(g) + CO2(ánodo)

Las altas temperaturas de funcionamiento de las pilas de combustible con el карбонатным litio tienen ciertas ventajas. A altas temperaturas, se produce interno de reformado de gas natural, lo que elimina la necesidad de uso del procesador de combustible. Además, entre las ventajas se puede mencionar la posibilidad de utilizar los materiales de construcción, tales como chapa de acero inoxidable y níquel del catalizador en los electrodos. Secundarios que el calor puede ser utilizado para la generación de vapor de alta presión para diversos fines industriales y comerciales.

Las altas temperaturas de reacción en el electrolito también tienen sus ventajas. La aplicación de altas temperaturas requiere de un tiempo considerable para obtener mejores condiciones de trabajo, el sistema reacciona más lentamente en el cambio en el consumo de energía. Estas características permiten el uso de la instalación de combustible con el карбонатным electrolito en las condiciones de potencia constante. Las altas temperaturas impiden daños en la pila de combustible óxido de carbono, el "envenenamiento", etc.

Las pilas de combustible con el карбонатным de electrolitos adecuados para su uso en grandes fijos. Los países industrializados son producidos теплоэнергетические instalación con salida de potencia eléctrica de 2,8 Mw. En preparación de la instalación con una potencia de salida de hasta 100 Mw.

 

Las pilas de combustible a base de ácido fosfórico (ФКТЭ).





Las pilas de combustible a base de ácido fosfórico (grabador) ácido fueron las primeras pilas de combustible para uso comercial. Este proceso fue desarrollado a mediados de la década de 1960, se realizaron pruebas de la década de 1970 Con el tiempo ha aumentado la estabilidad, el rendimiento y reducido coste.

Las pilas de combustible a base de ácido fosfórico (grabador) ácido utilizan un electrolito de ácido fosfórico (H3PO4) con una concentración de hasta el 100%. La conductividad iónica con ácido fosfórico es baja a temperaturas bajas, por esta razón, estas pilas de combustible se utilizan temperaturas de hasta 150-220°C.

El portador de la carga en las pilas de este tipo es el hidrógeno (H+, el protón). Similar proceso se realiza en pilas de combustible con membrana de intercambio de protones (МОПТЭ), en los que el hidrógeno, подводимый hacia el ánodo, se divide en protones y electrones. Los protones pasan por электролиту y se combinan con el oxígeno que se producen desde el aire, en el cátodo para formar agua. Los electrones se dirigen por el exterior de un circuito eléctrico, cuando este se genera la corriente eléctrica. A continuación se presentan las reacciones, a consecuencia de los cuales se genera la corriente eléctrica y el calor.

La reacción en el ánodo: 2H2 => 4H+ + 4e-
La reacción en el cátodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
La respuesta general de un elemento: 2H2 + O2 => 2H2O

La eficiencia de las pilas de combustible a base de ácido fosfórico (grabador) de ácido es de más del 40% de la generación de energía eléctrica. Combinados de producción de la energía térmica y eléctrica, la eficiencia global es de aproximadamente 85%. Además, teniendo en cuenta la temperatura de funcionamiento secundarios que el calor puede ser usado para el calentamiento de agua y generación de vapor de la presión atmosférica.

De alto rendimiento теплоэнергетических de las instalaciones de combustible a base de ácido fosfórico (grabador) ácido combinado la producción de calor y de energía eléctrica es una de las ventajas de este tipo de pilas de combustible. En las instalaciones se utiliza el monóxido de carbono con una concentración de alrededor de 1,5%, lo que aumenta considerablemente la posibilidad de selección de combustible. Además, el CO2 no influye en el electrolito y el funcionamiento de una pila de combustible, el tipo de elemento funciona con риформированным natural de combustible. Diseño simple, de bajo grado de volatilidad de los electrolitos y el aumento de la estabilidad también son las ventajas de este tipo de pilas de combustible.

Los países industrializados son producidos теплоэнергетические instalación con salida eléctrica con una potencia de hasta 400 kw. La instalación de 11 Mw superado una prueba. En preparación de la instalación con una potencia de salida de hasta 100 Mw.

 

Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (МОПТЭ)





Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones se consideran el mejor tipo de pilas de combustible para la generación de alimentación de los vehículos, que es capaz de reemplazar los motores de gasolina y diesel de combustión interna. Estas pilas de combustible fueron utilizados por primera vez por la nasa para el programa de "géminis". Actualmente se están desarrollando y se muestran instalación en МОПТЭ la potencia de 1w hasta 2 kw.

Como electrolito en estas celdas de combustible utilizado sólido rog (fina película de plástico). Cuando пропитывании el agua de este polímero fluye de protones, pero no pasa los electrones.

El combustible es el hidrógeno, y el portador de carga de un ion de hidrógeno (protones). En el ánodo de una molécula de hidrógeno se separa en iones hidrógeno (protones) y los electrones. Los iones de hidrógeno pasan a través del electrolito hacia el cátodo, los electrones se mueven por el exterior del círculo y producen energía eléctrica. El oxígeno, que se toma desde el aire, se aparta hacia el cátodo y se conecta con los electrones y los iones de hidrógeno, formando el agua. En los electrodos se producen las siguientes reacciones:

La reacción en el ánodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
La reacción en el cátodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
La respuesta general de un elemento: 2H2 + O2 => 2H2O

En comparación con otros tipos de pilas de combustible las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones producen más energía con una cantidad determinada o el peso de una pila de combustible. Esta característica les permite ser compactos y ligeros. Además, la temperatura de trabajo es de menos de 100°C, lo que permite acceder rápidamente a la marcha. Estas características, así como la posibilidad de cambiar rápidamente la salida de la energía son sólo algunas de las características que hacen de estas pilas de combustible el primer candidato para el uso en vehículos.

Otra ventaja es que el electrolito actúa firme, y no líquido, sustancia. Retener los gases en el cátodo y el ánodo es más fácil con el uso de electrolito sólido, y por lo tanto, estas pilas de combustible más barato para la producción. En comparación con otros electrolitos, con la aplicación de electrolito sólido no se produce esta dificultad, como la orientación, se produce menos problemas debido a la aparición de corrosión, lo que conduce a una mayor durabilidad del elemento y sus componentes.

 

Твердооксидные las pilas de combustible (ТОТЭ)





Твердооксидные las pilas de combustible son pilas de combustible con la más alta temperatura de trabajo. La temperatura de funcionamiento puede variar de 600°C a 1000°C, lo que permite el uso de varios tipos de combustible, sin la necesidad de pre-tratamiento. Para el trabajo con las altas temperaturas, se utiliza un electrolito es un delgado sólido óxido de metal de base cerámica, a menudo aleación de itrio y de circonio, que es el conductor de iones de oxígeno (o2-). La tecnología es el uso твердооксидных pilas de combustible se desarrolla desde finales de la década de 1950 y tiene dos configuraciones: плоскостную y tubular.

Electrolitos sólidos proporciona hermético de la transición de gas de un electrodo a otro, mientras líquidos electrolitos se encuentran en un sustrato poroso. El portador de la carga en las pilas de este tipo es el ion de oxígeno (o2-). En el cátodo se produce la separación de las moléculas de oxígeno del aire de la ión de oxígeno y cuatro electrones. Los iones de oxígeno pasan por электролиту y se combinan con el hidrógeno, se forma de cuatro electrones libres. Los electrones se dirigen por el exterior de un circuito eléctrico, cuando este se genera la corriente eléctrica y el efecto secundario de calor.

La reacción en el ánodo: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
La reacción en el cátodo: O2 + 4e- => 2O2-
La respuesta general de un elemento: 2H2 + O2 => 2H2O

La eficiencia de la producción, la energía eléctrica es el más alto de todos los elementos combustibles – alrededor de 60%. Además, las altas temperaturas de trabajo permiten realizar la producción combinada de calor y energía para la generación de vapor de alta presión. La combinación de alta temperatura de una pila de combustible con la turbina permite crear un híbrido de pila de combustible para mejorar la eficiencia de generación de energía eléctrica hasta el 70%.

Твердооксидные las pilas de combustible funcionan a temperaturas muy altas (600°C–1000°C), lo que requiere un tiempo considerable para obtener mejores condiciones de trabajo, el sistema reacciona más lentamente en el cambio en el consumo de energía. En estas altas temperaturas de trabajo no se requiere el convertidor para la recuperación de hidrógeno a partir de combustibles, lo que permite теплоэнергетической la instalación de trabajar con respecto inmundo de combustible derivados de la gasificación de carbón o de los gases de escape, etc. También esta la pila de combustible perfecto para el trabajo de alta potencia, incluyendo las industriales y las grandes centrales de la central. Los países industrializados se fabrican los módulos con salida eléctrica con una potencia de 100 kw.

 

Las pilas de combustible, con acceso directo a la oxidación de metanol (ПОМТЭ)

La tecnología es el uso de pilas de combustible, con acceso directo a la oxidación de metanol está experimentando un período de desarrollo activo. Ha demostrado en el campo de la nutrición de los teléfonos móviles, ordenadores portátiles, así como para la creación de portátiles de fuentes de energía. lo que se pretende futuro, el uso de estos elementos.

La unidad de pilas de combustible, con acceso directo a la oxidación de metanol es similar a una pila de combustible de membrana de intercambio de protones (МОПТЭ), es decir, se utiliza como electrolito de polímero, así como el portador de carga de un ion de hidrógeno (protones). Sin embargo, el líquido de metanol (CH3OH) se oxida cuando la disponibilidad de agua en el ánodo emisión de CO2 de los iones de hidrógeno y electrones que van por el exterior de un circuito eléctrico, cuando este se genera la corriente eléctrica. Los iones de hidrógeno pasan por электролиту y reacciona con el oxígeno del aire y de los electrones procedentes del exterior de la cadena, con la formación de agua en el ánodo.

La reacción en el ánodo: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
La reacción en el cátodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
La respuesta general de un elemento: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

La elaboración de los datos de las pilas de combustible se inició a principios de los años 1990, Después de la creación de mejores catalizadores y, debido a las recientes innovaciones, se ha aumentado la densidad de potencia y una eficiencia de hasta el 40%.

Se llevaron a cabo ensayos de datos de los elementos en el rango de temperatura de 50-120°C. Gracias a su baja capacidad de las bajas temperaturas y la ausencia de la necesidad de utilizar el convertidor, pilas de combustible, con acceso directo a la oxidación de metanol son el mejor candidato para aplicaciones en teléfonos móviles y otros productos de consumo, como en los motores de los vehículos. La ventaja de este tipo de pilas de combustible son de pequeñas dimensiones, gracias a la utilización de combustible líquido, y la falta de necesidad de uso del convertidor.

 

Alcalinas pilas de combustible (ЩТЭ)





Alcalinas pilas de combustible (ЩТЭ) – uno de los más estudiados de la tecnología utilizada desde mediados de la década de 1960, el organismo de la nasa en los programas de "apolo" y "space Shuttle". A bordo de estas naves espaciales, las pilas de combustible generan energía eléctrica y agua potable. Alcalinas pilas de combustible son algunos de los más eficaces de los elementos utilizados para la generación de electricidad, la eficiencia de la producción de la electricidad llega hasta el 70%.

En el alcalinas, pilas de combustible, se utiliza un electrolito, es decir, una solución acuosa de hidróxido de potasio, que figura en el porosa de la estabilización de la matriz. La concentración de hidróxido de potasio puede variar en función de la temperatura de funcionamiento de una pila de combustible, rango que varía entre el 65°C hasta 220°C. el Portador de la carga en el ЩТЭ es ión (ES), que se mueve desde el cátodo hacia el ánodo, donde reacciona con el hidrógeno, produciendo agua y los electrones. El agua obtenida en el ánodo, se mueve de nuevo hacia el cátodo, de nuevo la generación de allí iones hidroxilo. Como resultado de este conjunto de reacciones que tienen lugar en las pilas de combustible, elemento, se produce la electricidad y, como subproducto, el calor:

La reacción en el ánodo: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
La reacción en el cátodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
La respuesta general del sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

La dignidad ЩТЭ es que estas pilas de combustible es de las más baratas de fabricar, ya que el catalizador que necesita en los electrodos, puede ser cualquiera de las sustancias, más baratas que las que se utilizan como catalizadores para otras pilas de combustible. Además, ЩТЭ trabajan a una temperatura relativamente baja, y son unos de los más eficaces para pilas de combustible — tales características pueden contribuir a acelerar la generación de alimentos y la alta eficiencia de combustible.

Una de las características ЩТЭ – alta sensibilidad al CO2, que puede estar contenido en el combustible o el aire. El CO2 reacciona con el electrolito, rápidamente envenena, y reduce drásticamente la eficiencia de la pila de combustible. Por lo tanto, el uso de ЩТЭ limitado de espacios cerrados, tales como el espacio y vehículos submarinos, deben trabajar en puro hidrógeno y el oxígeno. Además, este tipo de moléculas, como el CO, H2O, CH4, que son seguros para otras pilas de combustible, y para algunos de ellos incluso son el combustible son perjudiciales para la ЩТЭ.

 

Polímero электролитные las pilas de combustible (ПЭТЭ)





En el caso de polímeros electrolíticos de pilas de combustible de polímero de membrana consta de polímeros de las fibras con el agua a las áreas en las cuales existe la conductividad de los iones de agua H2O+ (protón, rojo) se une a la molécula de agua. Las moléculas de agua son un problema por la lentitud de intercambio iónico. Por lo tanto, se requiere una alta concentración de agua en el combustible y de escape de los electrodos, lo que limita la temperatura de 100°C.

 

Твердокислотные las pilas de combustible (ТКТЭ)





En твердокислотных pila de combustible de hidrógeno de un electrolito (CsHSO4) no contiene agua. Temperatura de trabajo por lo que es de 100-300°C. la Rotación de oxycontin aniones SO42-permite протонам (rojo) moverse, como se muestra en la figura.

Como regla general, твердокислотный la pila de combustible es un sándwich en el que una capa muy delgada de твердокислотного compuesto se encuentra entre dos firmemente ajustados los electrodos para asegurar un buen contacto. Cuando se calienta el componente orgánico volátil, saliendo a través de los poros en los electrodos, conservando la capacidad de los múltiples contactos entre el combustible (o de oxígeno en el otro extremo de los elementos), el electrolito y los electrodos.publicado

 





El tipo de combustible de los elementos de la temperatura de la Eficiencia de la generación de electricidad Tipo de combustible Ámbito de aplicación РКТЭ 550-700°C 50% a 70% la Mayoría de las especies de los combustibles de hidrocarburos Medianas y grandes instalaciones ФКТЭ 100-220°C 35-40% Puro hidrógeno Ampliación de la instalación de МОПТЭ 30 a 100°C de 35 a 50% Puro de hidrógeno, Pequeñas instalaciones ТОТЭ 450-1000°C 45-70% de la Mayoría de las especies de los combustibles de hidrocarburos Pequeñas, medianas y grandes instalaciones ПОМТЭ 20-90°C 20-30% de Metanol Portátiles instalación ЩТЭ entre 50 y 200°C 40-65% Puro de hidrógeno y la exploración Espacial ПЭТЭ 30 a 100°C de 35 a 50% Puro de hidrógeno, Pequeñas instalaciones

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Fuente: www.energy-units.ru/en_units.php