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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Elementos de combustível. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa A célula de combustível de hidrogênio-oxigênio foi descoberta em 1838 pelo cientista inglês W. Grove. Ele investigou a decomposição da água em hidrogênio e oxigênio e descobriu que um eletrolisador produzia uma corrente elétrica. Descobriu-se que existem processos para converter combustível em eletricidade sem queimar o combustível. Mas a humanidade recebe eletricidade principalmente devido à combustão de petróleo, carvão ou gás em usinas termelétricas ou combustível nuclear em usinas nucleares. Os processos que envolvem a combustão apresentam grandes perdas, por isso qualquer opção de geração de eletricidade sem queima de combustível atraiu cientistas e engenheiros. O que é uma célula de combustível? No processo de pesquisa, descobriu-se que o combustível para as células de combustível precisa ser preparado. Não há hidrogênio puro na natureza. Tem que ser extraído de combustíveis fósseis, como metano ou gás natural. Uma célula de combustível é uma fonte de corrente química e, portanto, consiste em um ânodo, um cátodo e um eletrólito (veja a figura).
O agente redutor (hidrogênio) é oxidado no ânodo, que doa elétrons para o circuito externo, e íons H+ carregados positivamente entram no eletrólito. Do outro lado da cadeia, os elétrons se aproximam do cátodo, ao qual é fornecido ar (oxigênio), e ocorre uma reação de redução (adição de elétrons por um agente oxidante - oxigênio). Os íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons) são transportados pelo eletrólito para o cátodo, onde se combinam com os íons de oxigênio negativos para formar água H2O. Eletrodos e eletrólitos não participam da reação. Assim, é necessário fornecer hidrogênio e oxigênio para a célula de combustível, remover a água e remover a corrente elétrica. Problemas com a produção de hidrogênio levaram a tentativas de usar outros agentes redutores, em particular o monóxido de carbono CO, que é relativamente fácil de obter do carvão. Na década de 30 do século XX. O pesquisador alemão E. Bauer criou uma unidade de laboratório com um eletrólito sólido para oxidação anódica direta de carvão. Atualmente, além do carvão, quase qualquer combustível orgânico pode ser usado. Em vez de água nessas células de combustível, o produto de saída é o dióxido de carbono CO2. Por que as células de combustível são atraentes como fonte de eletricidade? Primeiro, eles são mais ecológicos do que as usinas termelétricas. As células de combustível de hidrogênio-oxigênio produzem água, enquanto as células de combustível baseadas em carbono produzem dióxido de carbono e muito menos por unidade de eletricidade do que as usinas termelétricas. Em segundo lugar, eles têm uma alta eficiência de cerca de 40-60% (grandes usinas termelétricas têm cerca de 30%). Atualmente, foram desenvolvidas tecnologias com eficiência de até 90%. Isso permite reduzir o consumo de combustível orgânico em pelo menos 2 vezes. Em terceiro lugar, a confiabilidade do combustível é excepcionalmente alta. A probabilidade de operação sem falhas é estimada em "sete noves" ou 99,99999%. Tipos de células de combustível Esses tipos são determinados pelo tipo de eletrólito usado nas células de combustível. 1. Ácido fosfórico. Este tipo de célula de combustível está sendo produzido em massa. Já instalaram mais de 200 - em hospitais, hotéis, escolas, escritórios. Sua eficiência é de 40%, mas, além disso, também é utilizado o produto de saída - vapor quente. A temperatura operacional em tais células de combustível é de cerca de 200°C. 2. Membranas de troca de prótons. Esses elementos operam a uma temperatura mais baixa (cerca de 100°C). Membranas de troca de prótons - uma fina camada de plástico que permite a passagem de prótons. O plástico é revestido em ambos os lados com uma camada de partículas de metal (na maioria das vezes platina), que são um catalisador ativo. Este tipo de célula de combustível é considerado o mais promissor para carros e como substituto de baterias e acumuladores. 3. Carbonato fundido. As células com este eletrólito operam a uma temperatura de cerca de 700°C e podem trabalhar com hidrogênio, monóxido de carbono, gás natural, propano, óleo diesel e outras substâncias. Foram desenvolvidas instalações industriais com capacidade de 10 kW a 2 MW. Essas células de combustível são promissoras como usinas de energia estacionárias. 4. Óxidos sólidos. Em vez de um eletrólito líquido, um material cerâmico sólido é usado. A temperatura de operação em tal célula de combustível é de até 1000°C. A eficiência chega a 60%. Uma célula de combustível com potência de 220 kW é demonstrada. Essas células de combustível são promissoras como usinas de energia poderosas. 5. Eletrólito alcalino. Células de combustível com esse eletrólito (KOH) são usadas há muito tempo em espaçonaves dos EUA. Sua eficiência chega a 70%. Mas para aplicações comerciais, eles ainda são muito caros. 6. Metanol. Esse elemento é semelhante em estrutura ao elemento com uma membrana de troca de prótons, mas é construído para extrair hidrogênio do metanol líquido. A eficiência é de cerca de 40%. Temperatura de funcionamento 50-90°C. 7. Células de combustível regenerativas. Este tipo de célula de combustível está em pesquisa. Ele usa um circuito fechado. A água é separada em hidrogênio e oxigênio por um eletrolisador de célula solar. Hidrogênio e oxigênio são alimentados em uma célula de combustível que produz eletricidade, calor e água. A água é reciclada de volta para o eletrolisador e o processo é repetido. Este tipo de célula de combustível é promissor para espaçonaves e estações.
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