Vetypolttokenno: kuvaus, ominaisuudet, toimintaperiaate, valokuva

Polttokenno on laite, joka tuottaa tehokkaasti lämpöä ja tasavirtaa sähkökemiallisen reaktion kautta ja käyttää vetyä runsaasti polttoainetta. Periaatteessa se on samanlainen kuin akku. Rakenteellisesti polttokennoa edustavat katodi, anodi ja elektrolyytti. Kuinka ihanaa se on? Toisin kuin itse akut, vetypolttokennot eivät varastoi sähköä, eivät tarvitse sähköä lataamiseen eivätkä purkaudu. Kennot jatkavat sähkön tuotantoa niin kauan kuin niissä on ilmaa ja polttoainetta.

Erikoisuudet

Polttokennot eroavat muista generaattoreista siinä, että ne eivät polta polttoainetta käytön aikana. Tämän ominaisuuden ansiosta ne eivät tarvitse korkeapaineroottoreita, ne eivät lähetä voimakkaita ääniä ja tärinää. Polttokennoissa oleva sähkö syntyy äänettömällä sähkökemiallisella reaktiolla. Tällaisissa laitteissa polttoaineen kemiallinen energia muunnetaan suoraan vedeksi, lämmöksi ja sähköksi.

Polttokennot ovat erittäin tehokkaita eivätkä päästä suuria määriä kasvihuonekaasuja. Kennojen toiminnan aikana vapautuva tuote on pieni määrä vettä höyryn ja hiilidioksidin muodossa, joka ei vapaudu, jos puhdasta vetyä käytetään polttoaineena.

Ulkonäön historia

1950- ja 1960-luvuilla NASA:n kasvava tarve voimanlähteille pitkän kantaman avaruuslennoille johti yhteen tuolloin tärkeimmistä polttokennohaasteista. Alkalikennot käyttävät polttoaineena happea ja vetyä, jotka sähkökemiallisen reaktion aikana muuttuvat hyödyllisiksi sivutuotteiksi avaruuslennon aikana: sähköksi, vedeksi ja lämmöksi.

Polttokennot löydettiin ensimmäisen kerran 1800-luvun alussa, vuonna 1838. Samaan aikaan ilmestyi ensimmäiset tiedot niiden tehokkuudesta.

Alkalisia elektrolyyttejä käyttävien polttokennojen työstäminen aloitettiin 1930-luvun lopulla. Nikkeloiduilla korkeapaineelektrodilla varustetut kennot keksittiin vasta vuonna 1939. Toisen maailmansodan aikana kehitettiin brittiläisiä sukellusveneen polttokennoja, jotka koostuivat halkaisijaltaan noin 25 senttimetriä olevista alkalisista alkuaineista.

Kiinnostus niitä kohtaan lisääntyi 1950-1980-luvuilla, joille oli leimallista polttoöljypula. Maat ympäri maailmaa ovat alkaneet torjua ilman ja ympäristön saastumista yrittämällä kehittää ympäristöystävällisiä tapoja tuottaa sähköä. Polttokennoteknologiaa kehitetään parhaillaan aktiivisesti.

Toimintaperiaate

Polttokennot tuottavat lämpöä ja sähköä sähkökemiallisella reaktiolla, jossa käytetään katodia, anodia ja elektrolyyttiä.

Katodi ja anodi erotetaan protoneja johtavalla elektrolyytillä. Kun katodille on syötetty happea ja anodille vetyä, alkaa kemiallinen reaktio, joka tuottaa lämpöä, virtaa ja vettä.

Molekyylivety dissosioituu anodikatalyytissä, mikä johtaa elektronien katoamiseen. Vetyionit tulevat katodille elektrolyytin kautta, kun taas elektronit kulkevat ulkoisen sähköverkon läpi ja muodostavat tasavirran, jota käytetään laitteiden virtalähteenä. Katodikatalyytin happimolekyyli yhdistyy saapuvan elektronin ja protonin kanssa muodostaen lopulta vettä, joka on reaktion ainoa tuote.

Tyypit

Tietyn polttokennotyypin valinta riippuu sen sovelluksesta. Kaikki polttokennot jaetaan kahteen pääluokkaan: korkea lämpötila ja matala lämpötila. Jälkimmäiset käyttävät polttoaineena puhdasta vetyä. Tällaiset laitteet vaativat tyypillisesti ensisijaisen polttoaineen muuntamisen puhtaaksi vedyksi. Prosessi suoritetaan erikoislaitteilla.

Korkean lämpötilan polttokennot eivät tarvitse niitä, koska ne muuntavat polttoaineen korkeissa lämpötiloissa, mikä eliminoi vetyinfrastruktuurin tarpeen.

Vetypolttokennojen toimintaperiaate perustuu kemiallisen energian muuntamiseen sähköenergiaksi ilman tehottomia polttoprosesseja ja lämpöenergian muuntamiseen mekaaniseksi energiaksi.

Yleisiä käsitteitä

Vetypolttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka tuottavat sähköä erittäin tehokkaalla ”kylmän” polttoaineen poltolla. Tällaisia ​​laitteita on useita tyyppejä. PEMFC-protoninvaihtokalvolla varustettujen vety-ilmapolttokennojen teknologiaa pidetään lupaavimpana.

Polymeerikalvo, jolla on protonijohtavuus, on suunniteltu erottamaan kaksi elektrodia: katodi ja anodi. Jokaista niistä edustaa hiilimatriisi, jolle katalyytti kerrostetaan. Molekyylivety dissosioituu anodikatalyytissä luovuttaen elektroneja. Kationit kulkevat katodille kalvon läpi, mutta elektronit siirtyvät ulkoiseen piiriin, koska kalvoa ei ole suunniteltu kuljettamaan elektroneja.

Katodikatalyytissä oleva happimolekyyli yhdistyy sähköpiiristä tulevan elektronin ja sisään tulevan protonin kanssa muodostaen lopulta vettä, joka on reaktion ainoa tuote.

Vetypolttokennoista valmistetaan kalvo-elektrodikokoonpanoja, jotka toimivat energiajärjestelmän tärkeimpinä tuottavina elementteinä.

Vetypolttokennojen edut

Niistä on syytä korostaa:

• Ominaislämpökapasiteetin lisäys.
• Laaja käyttölämpötila-alue.
• Ei tärinää, melua tai lämpöä.
• Kylmäkäynnistyksen luotettavuus.
• Itsepurkauksen puute, mikä takaa pitkän energian varastoinnin.
• Rajoittamaton autonomia kyvyn säädellä energiankulutusta vaihtamalla polttoainepatruunoiden määrää.
• Varmistetaan lähes mikä tahansa energiaintensiteetti muuttamalla vedyn varastointikapasiteettia.
• Pitkäaikainen.
• Hiljainen ja ympäristöystävällinen toiminta.
• Korkea energiankulutus.
• Kestää vedyn vieraita epäpuhtauksia.

Sovellusalue

Korkean hyötysuhteensa ansiosta vetypolttokennoja käytetään useilla aloilla:

• Kannettavat laturit.
• UAV-laitteiden tehojärjestelmät.
• UPS.
• Muut laitteet ja varusteet.

Vetyenergian näkymät

Vetyperoksidipohjaisten polttokennojen laaja käyttö tulee mahdolliseksi vasta tehokkaan menetelmän luomisen jälkeen vedyn tuottamiseksi. Tämän teknologian aktiiviseen käyttöön tarvitaan uusia ideoita, ja biopolttokennojen ja nanoteknologian käsitteeseen asetetaan suuria toiveita. Useat yritykset ovat julkaisseet suhteellisen tehokkaita eri metalleihin perustuvia katalyyttejä, samalla kun on ilmestynyt tietoa kalvottomien polttokennojen luomisesta, mikä on merkittävästi vähentänyt tuotantokustannuksia ja yksinkertaistanut tällaisten laitteiden suunnittelua. Vetypolttokennojen edut ja ominaisuudet eivät paina niiden pääasiallista haittaa – korkeita kustannuksia, etenkin verrattuna hiilivetylaitteisiin. Vetyvoimalan rakentaminen vaatii vähintään 500 000 dollaria.

Kuinka rakentaa vetypolttokenno?

Pienitehoisen polttokennon voi luoda itse tavallisessa kodin tai koulun laboratoriossa. Materiaalina käytetty vanha kaasunaamari, pleksilasin palaset, etyylialkoholin ja alkalin vesiliuos.

Vetypolttokennon runko valmistetaan käsin pleksilasista, jonka paksuus on vähintään viisi millimetriä. Osien väliset väliseinät voivat olla ohuempia – noin 3 millimetriä. Pleksi liimataan erityisellä kloroformi- tai dikloorietaanipohjaisella liimalla ja pleksilastuilla. Kaikki työt suoritetaan vain liesituulettimen ollessa käynnissä.

Kotelon ulkoseinään tehdään reikä, jonka halkaisija on 5-6 senttimetriä, johon työnnetään kumitulppa ja lasinen tyhjennysputki. Kaasunaamarin aktiivihiiltä kaadetaan polttokennokotelon toiseen ja neljänteen osastoon – sitä käytetään elektrodina.

Polttoaine kiertää ensimmäisessä kammiossa ja viides täytetään ilmalla, josta happea virtaa. Elektrodien väliin kaadettu elektrolyytti kyllästetään parafiini- ja bensiiniliuoksella, jotta se ei pääse ilmakammioon. Kuparilevyt asetetaan hiilikerrokselle, johon on juotettu johdot, joiden läpi virta ohjataan.

Koottuun vetypolttokennoon täytetään vedellä suhteessa 1:1 laimennettua vodkaa. Saatuun seokseen lisätään varovasti kaliumhydroksidia: 70 grammaa kaliumia liuotetaan 200 grammaan vettä.

Ennen polttokennon testaamista vedyllä, polttoaine kaadetaan ensimmäiseen kammioon ja elektrolyytti kolmanteen. Elektrodeihin kytketyn volttimittarin lukemien tulee olla 0,7 – 0,9 volttia. Kennon jatkuvan toiminnan varmistamiseksi on välttämätöntä tyhjentää käytetty polttoaine ja täyttää uutta polttoainetta kumiletkun kautta. Letkun painaminen säätää polttoaineen syöttönopeutta. Tällaisilla kotitekoisilla vetypolttokennoilla on vähän tehoa.