Vätebränslecell: beskrivning, egenskaper, funktionsprincip, foto

En bränslecell är en anordning som effektivt genererar värme och likström genom en elektrokemisk reaktion och använder väterikt bränsle. I grund och botten liknar det ett batteri. Strukturellt representeras bränslecellen av en katod, en anod och en elektrolyt. Hur underbart är det? Till skillnad från batterierna själva lagrar vätebränsleceller inte elektricitet, behöver inte elektricitet för att laddas och laddas inte ur. Cellerna fortsätter att generera elektricitet så länge de har luft och bränsle i sig.

Egenheter

Bränsleceller skiljer sig från andra kraftgeneratorer genom att de inte förbränner bränsle under drift. Tack vare denna funktion behöver de inte högtrycksrotorer, de avger inte starka ljud och vibrationer. El i bränsleceller genereras genom en tyst elektrokemisk reaktion. Den kemiska energin hos bränslet i sådana anordningar omvandlas direkt till vatten, värme och elektricitet.

Bränsleceller är mycket effektiva och släpper inte ut stora mängder växthusgaser. Produkten som avges vid celldrift är en liten mängd vatten i form av ånga och koldioxid, som inte frigörs om rent väte används som bränsle.

Utseendehistoria

På 1950- och 1960-talen ledde NASA:s växande behov av kraftkällor för långväga rymdfärder till en av de viktigaste bränslecellsutmaningarna som fanns vid den tiden. Alkaliska celler använder syre och väte som bränsle, som under en elektrokemisk reaktion omvandlas till användbara biprodukter under rymdfärd: elektricitet, vatten och värme.

Bränsleceller upptäcktes först i början av 1800-talet, 1838. Samtidigt dök den första informationen om deras effektivitet upp.

Arbetet med bränsleceller med alkaliska elektrolyter började i slutet av 1930-talet. Celler med nickelpläterade högtryckselektroder uppfanns inte förrän 1939. Under andra världskriget utvecklades brittiska ubåtsbränsleceller, bestående av alkaliska grundämnen cirka 25 centimeter i diameter.

Intresset för dem ökade under 1950-1980-talen, som kännetecknades av brist på eldningsolja. Länder runt om i världen har börjat ta itu med luft- och miljöföroreningar genom att försöka utveckla miljövänliga sätt att generera el. Bränslecellsteknologi är för närvarande under aktiv utveckling.

Funktionsprincip

Värme och elektricitet produceras av bränsleceller genom en elektrokemisk reaktion som använder en katod, en anod och en elektrolyt.

Katoden och anoden är åtskilda av en protonledande elektrolyt. Efter att ha tillfört syre till katoden och väte till anoden startas en kemisk reaktion som producerar värme, ström och vatten.

Molekylärt väte dissocierar på anodkatalysatorn vilket resulterar i förlust av elektroner. Vätejoner kommer in i katoden genom elektrolyten, medan elektronerna passerar genom det externa elektriska nätverket och skapar en likström som används för att driva utrustningen. Syremolekylen på katodkatalysatorn kombineras med en inkommande elektron och proton och bildar så småningom vatten, som är den enda produkten av reaktionen.

Typer

Valet av en viss typ av bränslecell beror på dess tillämpning. Alla bränsleceller delas in i två huvudkategorier: hög temperatur och låg temperatur. De senare använder rent väte som bränsle. Sådana anordningar kräver typiskt omvandling av primärbränsle till rent väte. Processen utförs på specialutrustning.

Högtemperaturbränsleceller behöver dem inte eftersom de omvandlar bränslet vid höga temperaturer, vilket eliminerar behovet av en väteinfrastruktur.

Principen för drift av vätebränsleceller bygger på omvandling av kemisk energi till elektrisk energi utan ineffektiva förbränningsprocesser och på omvandling av termisk energi till mekanisk energi.

Allmänna begrepp

Vätebränsleceller är elektrokemiska enheter som genererar elektricitet genom högeffektiv ”kall” bränsleförbränning. Det finns flera typer av sådana enheter. Tekniken för väte-luftbränsleceller utrustade med ett PEMFC-protonutbytesmembran anses vara den mest lovande.

Ett polymermembran med protonledningsförmåga är utformat för att separera två elektroder: katod och anod. Var och en av dem representeras av en kolmatris på vilken katalysatorn avsätts. Molekylärt väte dissocierar på anodkatalysatorn och donerar elektroner. Katjoner passerar till katoden genom membranet, men elektroner överförs till den externa kretsen, eftersom membranet inte är utformat för att bära elektroner.

En syremolekyl på en katodkatalysator kombineras med en elektron från en elektrisk krets och en inkommande proton, och bildar så småningom vatten, som är den enda produkten av reaktionen.

Bränsleceller av väte används för att producera membran-elektrodenheter, som fungerar som de huvudsakliga genererande elementen i energisystemet.

Fördelar med vätebränsleceller

Bland dem bör markeras:

• Ökning av specifik värmekapacitet.
• Brett driftstemperaturområde.
• Inga vibrationer, buller eller värme.
• Tillförlitlighet för kallstart.
• Brist på självurladdning, vilket garanterar en lång period av energilagring.
• Obegränsad autonomi tack vare möjligheten att reglera energiförbrukningen genom att ändra antalet bränslepatroner.
• Säkerställer nästan vilken energiintensitet som helst genom att ändra lagringskapaciteten för väte.
• Långsiktigt.
• Tyst och miljövänlig drift.
• Hög energiförbrukning.
• Motståndskraft mot främmande föroreningar i väte.

Applikationsområde

På grund av sin höga effektivitet används vätebränsleceller inom olika områden:

• Bärbara laddare.
• Kraftsystem för UAV.
• POSTEN.
• Andra enheter och utrustning.

Utsikter för väteenergi

Den utbredda användningen av bränsleceller baserade på väteperoxid kommer att bli möjlig först efter skapandet av en effektiv metod för att producera väte. Nya idéer behövs för aktiv användning av denna teknik, med stora förhoppningar på konceptet biobränsleceller och nanoteknik. Flera företag har släppt relativt effektiva katalysatorer baserade på olika metaller, samtidigt har information dykt upp om skapandet av membranlösa bränsleceller, vilket avsevärt har minskat produktionskostnaderna och förenklat designen av sådana enheter. Fördelarna och egenskaperna hos vätebränsleceller uppväger inte deras största nackdel – höga kostnader, särskilt jämfört med kolväteanordningar. Byggandet av ett vätgaskraftverk kräver minst 500 000 dollar.

Hur bygger man en vätebränslecell?

En bränslecell med låg effekt kan skapas av dig själv i ett typiskt hem- eller skollaboratorium. Materialen som användes var en gammal gasmask, bitar av plexiglas, en vattenlösning av etylalkohol och alkali.

Vätebränslecellens kropp är tillverkad för hand av plexiglas med en tjocklek på minst fem millimeter. Skiljeväggarna mellan facken kan vara tunnare – cirka 3 millimeter. Plexiglas limmas med ett speciellt lim baserat på kloroform eller dikloretan och plexiglasspån. Allt arbete utförs endast när huven är igång.

Ett hål med en diameter på 5-6 centimeter görs i höljets yttervägg, i vilket en gummipropp och ett glasavloppsrör sätts in. Aktivt kol från en gasmask hälls i det andra och fjärde facket i bränslecellshuset – det kommer att användas som en elektrod.

Bränslet kommer att cirkulera i den första kammaren, och den femte kommer att fyllas med luft, från vilken syre kommer att flöda. Elektrolyten som hälls mellan elektroderna impregneras med en lösning av paraffin och bensin så att den inte kommer in i luftkammaren. Kopparplattor placeras på ett lager av kol med ledningar lödda till dem, genom vilka strömmen kommer att avledas.

Vodka utspädd med vatten i förhållandet 1: 1 fylls i den sammansatta vätebränslecellen. Kaliumhydroxid tillsätts försiktigt till den resulterande blandningen: 70 gram kalium löses i 200 gram vatten.

Innan en bränslecell testas på väte hälls bränslet i den första kammaren och elektrolyten hälls i den tredje. Avläsningarna på voltmetern som är ansluten till elektroderna bör vara mellan 0,7 och 0,9 volt. För att säkerställa kontinuerlig drift av cellen är det nödvändigt att tömma det använda bränslet och fylla på nytt bränsle genom en gummislang. Genom att trycka på slangen justeras bränsletillförselhastigheten. Sådana hemmagjorda vätebränsleceller har liten kraft.