Pila de combustible de hidrógeno: descripción, características, principio de funcionamiento, foto.
Una celda de combustible es un dispositivo que genera eficientemente calor y corriente continua a través de una reacción electroquímica y utiliza combustible rico en hidrógeno. Básicamente, es similar a una batería. Estructuralmente, la celda de combustible está representada por un cátodo, un ánodo y un electrolito. ¿Qué tan maravilloso es eso? A diferencia de las propias baterías, las pilas de combustible de hidrógeno no almacenan electricidad, no necesitan electricidad para recargarse y no se descargan. Las celdas continúan generando electricidad mientras tengan aire y combustible en ellas.
Peculiaridades
Las celdas de combustible difieren de otros generadores de energía en que no queman combustible durante la operación. Gracias a esta característica, no necesitan rotores de alta presión, no emiten ruidos ni vibraciones fuertes. La electricidad en las pilas de combustible se genera mediante una reacción electroquímica silenciosa. La energía química del combustible en tales dispositivos se convierte directamente en agua, calor y electricidad.
Las pilas de combustible son muy eficientes y no emiten grandes cantidades de gases de efecto invernadero. El producto emitido durante el funcionamiento de la celda es una pequeña cantidad de agua en forma de vapor y dióxido de carbono, que no se libera si se utiliza hidrógeno puro como combustible.
Historia de la apariencia
En las décadas de 1950 y 1960, la creciente necesidad de la NASA de fuentes de energía para vuelos espaciales de largo alcance condujo a uno de los desafíos de celdas de combustible más importantes que existían en ese momento. Las pilas alcalinas utilizan oxígeno e hidrógeno como combustible que, durante una reacción electroquímica, se convierten en subproductos útiles durante los vuelos espaciales: electricidad, agua y calor.
Las pilas de combustible se descubrieron por primera vez a principios del siglo XIX, en 1838. Al mismo tiempo, apareció la primera información sobre su efectividad.
El trabajo en celdas de combustible que utilizan electrolitos alcalinos comenzó a fines de la década de 1930. Las celdas con electrodos de alta presión niquelados no se inventaron hasta 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron celdas de combustible submarinas británicas, que consisten en elementos alcalinos de unos 25 centímetros de diámetro.
El interés por ellos aumentó en las décadas de 1950 y 1980, que se caracterizaron por la escasez de fuel oil. Los países de todo el mundo han comenzado a abordar la contaminación ambiental y del aire al tratar de desarrollar formas ecológicas de generar electricidad. La tecnología de pilas de combustible se encuentra actualmente en desarrollo activo.
Principio de funcionamiento
Las celdas de combustible producen calor y electricidad a través de una reacción electroquímica que utiliza un cátodo, un ánodo y un electrolito.
El cátodo y el ánodo están separados por un electrolito conductor de protones. Después de suministrar oxígeno al cátodo e hidrógeno al ánodo, se inicia una reacción química que produce calor, corriente y agua.
El hidrógeno molecular se disocia en el catalizador del ánodo, lo que provoca la pérdida de electrones. Los iones de hidrógeno ingresan al cátodo a través del electrolito, mientras que los electrones pasan a través de la red eléctrica externa y crean una corriente continua que se utiliza para alimentar el equipo. La molécula de oxígeno en el catalizador del cátodo se combina con un electrón y un protón entrantes, y eventualmente forma agua, que es el único producto de la reacción.
Tipos
La elección de un tipo particular de pila de combustible depende de su aplicación. Todas las celdas de combustible se dividen en dos categorías principales: alta temperatura y baja temperatura. Estos últimos utilizan hidrógeno puro como combustible. Dichos dispositivos generalmente requieren la conversión de combustible primario en hidrógeno puro. El proceso se lleva a cabo en equipos especiales.
Las celdas de combustible de alta temperatura no las necesitan porque convierten el combustible a altas temperaturas, eliminando la necesidad de una infraestructura de hidrógeno.
El principio de funcionamiento de las pilas de combustible de hidrógeno se basa en la conversión de energía química en energía eléctrica sin procesos de combustión ineficientes y en la conversión de energía térmica en energía mecánica.
Conceptos generales
Las celdas de combustible de hidrógeno son dispositivos electroquímicos que generan electricidad mediante la combustión de combustible «frío» altamente eficiente. Hay varios tipos de tales dispositivos. La tecnología de pilas de combustible de hidrógeno-aire equipadas con una membrana de intercambio de protones PEMFC se considera la más prometedora.
Una membrana de polímero con conductividad de protones está diseñada para separar dos electrodos: cátodo y ánodo. Cada uno de ellos está representado por una matriz de carbono sobre la que se deposita el catalizador. El hidrógeno molecular se disocia en el catalizador del ánodo, donando electrones. Los cationes pasan al cátodo a través de la membrana, pero los electrones se transfieren al circuito externo, ya que la membrana no está diseñada para transportar electrones.
Una molécula de oxígeno en un catalizador de cátodo se combina con un electrón de un circuito eléctrico y un protón entrante, formando eventualmente agua, que es el único producto de la reacción.
Las celdas de combustible de hidrógeno se utilizan para producir conjuntos de electrodos de membrana, que sirven como los principales elementos generadores del sistema de energía.
Ventajas de las pilas de combustible de hidrógeno
Entre ellos cabe destacar:
- Aumento de la capacidad calorífica específica.
- Amplio rango de temperatura de funcionamiento.
- Sin vibraciones, ruidos ni calor.
- Fiabilidad de arranque en frío.
- Ausencia de autodescarga, lo que garantiza un largo periodo de almacenamiento de energía.
- Autonomía ilimitada gracias a la capacidad de regular el consumo de energía cambiando el número de cartuchos de combustible.
- Asegurando casi cualquier intensidad energética cambiando la capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
- A largo plazo.
- Funcionamiento silencioso y respetuoso con el medio ambiente.
- Alto consumo de energía.
- Resistencia a las impurezas extrañas en el hidrógeno.
Área de aplicación
Debido a su alta eficiencia, las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan en varios campos:
- Cargadores portátiles.
- Sistemas de potencia para UAVs.
- UPS.
- Otros dispositivos y equipos.
Perspectivas de la energía del hidrógeno
El uso generalizado de pilas de combustible basadas en peróxido de hidrógeno solo será posible después de la creación de un método eficaz para producir hidrógeno. Se necesitan nuevas ideas para el uso activo de esta tecnología, con grandes esperanzas puestas en el concepto de celdas de biocombustibles y nanotecnología. Varias compañías han lanzado catalizadores relativamente eficientes basados en varios metales, al mismo tiempo, ha aparecido información sobre la creación de celdas de combustible sin membrana, lo que ha reducido significativamente los costos de producción y ha simplificado el diseño de dichos dispositivos. Las ventajas y características de las celdas de combustible de hidrógeno no compensan su principal desventaja: el alto costo, especialmente en comparación con los dispositivos de hidrocarburos. La construcción de una planta de energía de hidrógeno requiere al menos $ 500,000.
¿Cómo construir una pila de combustible de hidrógeno?
Usted mismo puede crear una pila de combustible de baja potencia en un laboratorio doméstico o escolar típico. Los materiales utilizados fueron una vieja máscara de gas, piezas de plexiglás, una solución acuosa de alcohol etílico y álcali.
El cuerpo de la pila de combustible de hidrógeno está hecho a mano de plexiglás con un espesor de al menos cinco milímetros. Las particiones entre los compartimentos pueden ser más delgadas, alrededor de 3 milímetros. El plexiglás se pega con un adhesivo especial a base de cloroformo o dicloroetano y virutas de plexiglás. Todo el trabajo se lleva a cabo solo cuando la campana está funcionando.
Se hace un orificio con un diámetro de 5-6 centímetros en la pared exterior de la caja, en el que se insertan un tapón de goma y un tubo de drenaje de vidrio. El carbón activado de una máscara de gas se vierte en el segundo y cuarto compartimento de la carcasa de la celda de combustible; se utilizará como electrodo.
El combustible circulará en la primera cámara, y la quinta se llenará de aire, de donde fluirá el oxígeno. El electrolito vertido entre los electrodos se impregna con una solución de parafina y gasolina para que no entre en la cámara de aire. Las placas de cobre se colocan sobre una capa de carbón con cables soldados, a través de los cuales se desviará la corriente.
Se llena la celda de combustible de hidrógeno ensamblada con vodka diluido con agua en una proporción de 1: 1. Se agrega cuidadosamente hidróxido de potasio a la mezcla resultante: se disuelven 70 gramos de potasio en 200 gramos de agua.
Antes de probar una celda de combustible con hidrógeno, el combustible se vierte en la primera cámara y el electrolito se vierte en la tercera. Las lecturas del voltímetro conectado a los electrodos deben estar entre 0,7 y 0,9 voltios. Para garantizar el funcionamiento continuo de la celda, es necesario drenar el combustible gastado y llenar con combustible nuevo a través de una manguera de goma. Al presionar la manguera se ajusta la tasa de suministro de combustible. Tales celdas de combustible de hidrógeno hechas en casa tienen poca energía.
