Guida: come aprire l'antico arsenale e dove cercare le celle a combustibile - Horizon: Zero Dawn. La cella a combustibile come alternativa all'energia "alternativa".

Di recente, il tema delle celle a combustibile è stato sulla bocca di tutti. E questo non sorprende, con l'avvento di questa tecnologia nel mondo dell'elettronica, ha trovato una nuova nascita. I leader mondiali nel campo della microelettronica gareggiano per presentare i prototipi dei loro futuri prodotti, che integreranno le proprie mini centrali elettriche. Ciò dovrebbe, da un lato, indebolire il legame dei dispositivi mobili alla "presa" e, dall'altro, prolungarne la durata della batteria.

Inoltre, alcuni di loro funzionano sulla base dell'etanolo, quindi lo sviluppo di queste tecnologie è di diretto beneficio per i produttori di bevande alcoliche: in una dozzina di anni, file di "personale IT" in piedi dietro la prossima "dose" per la loro laptop si allineerà alla distilleria.

Non possiamo stare lontani dalla "febbre" delle celle a combustibile che ha attanagliato l'industria Hi-Tech e cercheremo di capire che razza di bestia è questa tecnologia, con cosa viene mangiata e quando dovremmo aspettarci che arrivi "ristorazione". In questo materiale considereremo il percorso percorso dalle celle a combustibile dal momento in cui questa tecnologia è stata scoperta fino ai giorni nostri. Cercheremo inoltre di valutare le prospettive per la loro attuazione e sviluppo in futuro.

Come era

Per la prima volta, il principio di un dispositivo a celle a combustibile fu descritto da Christian Friedrich Schonbein nel 1838 e un anno dopo, il Philosophical Journal pubblicò il suo articolo su questo argomento. Tuttavia, questi erano solo studi teorici. La prima cella a combustibile funzionante vide la luce nel 1843 nel laboratorio di uno scienziato di origine gallese, Sir William Robert Grove. Durante la creazione, l'inventore ha utilizzato materiali simili a quelli utilizzati nelle moderne batterie all'acido fosforico. Successivamente, la cella a combustibile di Sir Grove è stata migliorata da W. Thomas Grub. Nel 1955, questo chimico, che lavorava per compagnia leggendaria General Electric ha utilizzato una membrana a scambio ionico di polistirene solfonato come elettrolita in una cella a combustibile. Solo tre anni dopo, il suo collega Leonard Niedrach propose la tecnologia di posare il platino sulla membrana, che fungeva da catalizzatore nel processo di ossidazione dell'idrogeno e assorbimento di ossigeno.

Il "padre" delle celle a combustibile Christian Schönbein

Questi principi hanno costituito la base di una nuova generazione di celle a combustibile, chiamate elementi "Grubb-Nidrach" dal nome dei loro creatori. General Electric ha continuato a svilupparsi in questa direzione, in cui, con l'assistenza della NASA e del gigante dell'aviazione McDonnell Aircraft, è stata creata la prima cella a combustibile commerciale. La nuova tecnologia è stata notata all'estero. E già nel 1959, il britannico Francis Bacon (Francis Thomas Bacon) introdusse una cella a combustibile stazionaria con una potenza di 5 kW. I suoi progetti brevettati furono successivamente concessi in licenza dagli americani e utilizzati in astronavi La NASA nei sistemi di alimentazione e nella fornitura di acqua potabile. Nello stesso anno l'americano Harry Ihrig costruì il primo trattore a celle a combustibile (potenza totale 15 kW). L'idrossido di potassio è stato utilizzato come elettrolita nelle batterie e l'idrogeno compresso e l'ossigeno sono stati usati come reagenti.

Per la prima volta, la produzione di celle a combustibile stazionarie per scopi commerciali è stata avviata da UTC Power, che ha offerto sistemi di alimentazione di riserva per ospedali, università e centri commerciali. Questa azienda, leader mondiale in questo campo, produce ancora soluzioni simili con potenze fino a 200 kW. È anche il principale fornitore di celle a combustibile per la NASA. I suoi prodotti sono stati ampiamente utilizzati durante il programma spaziale Apollo e sono ancora richiesti come parte del programma Space Shuttle. UTC Power offre anche celle a combustibile per il "consumo dei consumatori" per un'ampia gamma di applicazioni per veicoli. È stata la prima a creare una cella a combustibile che permette di ricevere corrente a temperature negative attraverso l'uso di una membrana a scambio protonico.

Come funziona

I ricercatori hanno sperimentato varie sostanze come reagenti. Tuttavia, i principi di base del funzionamento delle celle a combustibile, nonostante caratteristiche prestazionali notevolmente diverse, rimangono invariati. Qualsiasi pila a combustibile è un dispositivo di conversione di energia elettrochimica. Genera elettricità da una certa quantità di combustibile (lato anodo) e un ossidante (lato catodo). La reazione procede in presenza di un elettrolita (una sostanza contenente ioni liberi e che si comporta come un mezzo elettricamente conduttivo). In linea di principio, in qualsiasi dispositivo di questo tipo vi entrano alcuni reagenti e i loro prodotti di reazione, che vengono rimossi dopo che è stata eseguita la reazione elettrochimica. L'elettrolita in questo caso serve solo come mezzo per l'interazione dei reagenti e non cambia nella cella a combustibile. Sulla base di tale schema, una cella a combustibile ideale dovrebbe funzionare fintanto che c'è una scorta di sostanze necessarie per la reazione.

Le celle a combustibile non devono essere confuse qui con le batterie convenzionali. Nel primo caso viene consumato del "combustibile" per produrre elettricità, che in seguito deve essere ricaricata. Nel caso delle celle galvaniche, l'elettricità viene immagazzinata in un circuito chiuso. sistema chimico. Nel caso delle batterie, l'applicazione di corrente consente la reazione elettrochimica inversa e riporta i reagenti al loro stato originale (vale a dire, caricarlo). Sono possibili varie combinazioni di carburante e ossidante. Ad esempio, una cella a combustibile a idrogeno utilizza idrogeno e ossigeno (un agente ossidante) come reagenti. Spesso i bicarbonati e gli alcoli sono usati come combustibili e l'aria, il cloro e il biossido di cloro agiscono come ossidanti.

La reazione di catalisi che avviene nella cella a combustibile elimina elettroni e protoni dal combustibile e si formano gli elettroni in movimento elettricità. Le celle a combustibile utilizzano in genere platino o sue leghe come catalizzatore per accelerare la reazione. Un altro processo catalitico restituisce gli elettroni combinandoli con protoni e un agente ossidante, con conseguente formazione di prodotti di reazione (emissioni). Di norma, queste emissioni sono sostanze semplici: acqua e anidride carbonica.

In una cella a combustibile a membrana a scambio protonico convenzionale (PEMFC), una membrana conduttiva di protoni polimerica separa i lati dell'anodo e del catodo. Dal lato del catodo, l'idrogeno si diffonde sul catalizzatore anodico, da cui vengono successivamente rilasciati elettroni e protoni. I protoni passano quindi attraverso la membrana al catodo e gli elettroni, incapaci di seguire i protoni (la membrana è isolata elettricamente), vengono diretti attraverso il circuito di carico esterno (il sistema di alimentazione). Sul lato del catalizzatore catodico, l'ossigeno reagisce con i protoni che sono passati attraverso la membrana e gli elettroni che entrano attraverso il circuito di carico esterno. Come risultato di questa reazione, si ottiene acqua (sotto forma di vapore o liquido). Ad esempio, i prodotti di reazione nelle celle a combustibile che utilizzano combustibili idrocarburici (metanolo, Carburante diesel) sono acqua e anidride carbonica.

Le celle a combustibile di quasi tutti i tipi soffrono di perdite elettriche, causate sia dalla resistenza naturale dei contatti e degli elementi della cella a combustibile, sia dalla sovratensione elettrica (energia aggiuntiva necessaria per effettuare la reazione iniziale). In alcuni casi, non è possibile evitare completamente queste perdite e talvolta "il gioco non vale la candela", ma molto spesso possono essere ridotte a un minimo accettabile. Una soluzione a questo problema è l'uso di insiemi di questi dispositivi, in cui le celle a combustibile, a seconda delle esigenze del sistema di alimentazione, possono essere collegate in parallelo (corrente maggiore) o in serie (tensione maggiore).

Tipi di celle a combustibile

Esistono moltissimi tipi di celle a combustibile, ma cercheremo di soffermarci brevemente sul più comune di essi.

Celle a combustibile alcaline (AFC)

Le celle a combustibile alcaline o alcaline, chiamate anche celle Bacon dal nome del loro "padre" britannico, sono una delle tecnologie delle celle a combustibile più sviluppate. Sono stati questi dispositivi che hanno aiutato l'uomo a mettere piede sulla luna. In generale, la NASA utilizza celle a combustibile di questo tipo dalla metà degli anni '60. Gli AFC consumano idrogeno e ossigeno puro, producendo bevendo acqua, riscaldamento ed elettricità. In gran parte a causa del fatto che questa tecnologia è ben sviluppata, ha uno dei più alti tassi di efficienza tra sistemi simili (circa il 70% di potenziale).

Tuttavia, questa tecnologia ha anche i suoi svantaggi. A causa delle specifiche dell'utilizzo di una sostanza alcalina liquida come elettrolita, che non blocca l'anidride carbonica, è possibile che l'idrossido di potassio (una delle opzioni per l'elettrolita utilizzato) reagisca con questo componente dell'aria ordinaria. Il risultato può essere un composto velenoso di carbonato di potassio. Per evitare ciò, è necessario utilizzare ossigeno puro o pulire l'aria dall'anidride carbonica. Naturalmente, ciò influisce sul costo di tali dispositivi. Tuttavia, nonostante ciò, gli AFC sono le celle a combustibile più economiche da produrre oggi disponibili.

Celle a combustibile al boroidruro diretto (DBFC)

Questo sottotipo di celle a combustibile alcaline utilizza il boroidruro di sodio come combustibile. Tuttavia, a differenza degli AFC a idrogeno convenzionali, questa tecnologia ha un vantaggio significativo: nessun rischio di produrre composti tossici dopo il contatto con l'anidride carbonica. Tuttavia, il prodotto della sua reazione è la sostanza borace, ampiamente utilizzata nei detersivi e nei saponi. Il borace è relativamente non tossico.

I DBFC possono essere realizzati anche più economici delle tradizionali celle a combustibile perché non richiedono costosi catalizzatori al platino. Inoltre, hanno una maggiore densità di energia. Si stima che la produzione di un chilogrammo di boroidruro di sodio costi $ 50, ma se si organizza la sua produzione di massa e si organizza la lavorazione del borace, questa barra può essere ridotta di 50 volte.

Celle a combustibile a idruro di metallo (MHFC)

Questa sottoclasse di celle a combustibile alcaline è attualmente oggetto di studio attivo. Una caratteristica di questi dispositivi è la capacità di immagazzinare chimicamente idrogeno all'interno della cella a combustibile. La cella a combustibile al boroidruro diretto ha la stessa capacità, ma a differenza di essa, l'MHFC è riempito con idrogeno puro.

Tra le caratteristiche distintive di queste celle a combustibile ci sono le seguenti:

• la capacità di ricaricare dall'energia elettrica;
• lavorare a basse temperature - fino a -20°C;
• lunga durata;
• partenza veloce "a freddo";
• la capacità di lavorare per qualche tempo senza una fonte esterna di idrogeno (per il periodo di sostituzione del carburante).

Nonostante il fatto che molte aziende stiano lavorando alla creazione di MHFC prodotti in serie, l'efficienza dei prototipi non è abbastanza elevata rispetto alle tecnologie concorrenti. Una delle migliori densità di corrente per queste celle a combustibile è di 250 milliampere per centimetro quadrato, con le celle a combustibile PEMFC convenzionali che forniscono una densità di corrente di 1 ampere per centimetro quadrato.

Celle a combustibile elettrogalvaniche (EGFC)

La reazione chimica in EGFC avviene con la partecipazione di idrossido di potassio e ossigeno. Questo crea una corrente elettrica tra l'anodo di piombo e il catodo placcato in oro. La tensione in uscita da una cella a combustibile elettrogalvanica è direttamente proporzionale alla quantità di ossigeno. Questa caratteristica ha consentito all'EGFC di essere ampiamente utilizzato come dispositivo per il test dell'ossigeno nell'attrezzatura subacquea e medica. Ma proprio a causa di questa dipendenza, le celle a combustibile a base di idrossido di potassio hanno un periodo di tempo molto limitato. lavoro efficace(finché la concentrazione di ossigeno è alta).

I primi tester di ossigeno certificati EGFC sono diventati ampiamente disponibili nel 2005, ma all'epoca non hanno guadagnato molta popolarità. Rilasciato due anni dopo, un modello notevolmente modificato ebbe molto più successo e ricevette persino un premio per "innovazione" in uno spettacolo subacqueo specializzato in Florida. Attualmente, organizzazioni come NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e DDRC (Diving Diseases Research Center) li utilizzano.

Celle a combustibile diretto ad acido formico (DFAFC)

Queste celle a combustibile sono un sottotipo di dispositivi di acido formico diretto PEMFC. Grazie alle loro caratteristiche specifiche, queste celle a combustibile hanno grandi possibilità di diventare in futuro la principale fonte di energia per dispositivi elettronici portatili come laptop, telefoni cellulari, ecc.

Come il metanolo, l'acido formico viene immesso direttamente nella cella a combustibile senza una fase di purificazione speciale. È anche molto più sicuro immagazzinare questa sostanza rispetto, ad esempio, all'idrogeno e inoltre non è necessario fornire condizioni di conservazione specifiche: l'acido formico è un liquido a temperatura normale. Inoltre, questa tecnologia presenta due innegabili vantaggi rispetto alle celle a combustibile a metanolo diretto. In primo luogo, a differenza del metanolo, l'acido formico non filtra attraverso la membrana. Pertanto, l'efficienza di DFAFC, per definizione, dovrebbe essere maggiore. In secondo luogo, in caso di depressurizzazione, l'acido formico non è così pericoloso (il metanolo può causare cecità e, con un dosaggio forte, la morte).

È interessante notare che fino a poco tempo molti scienziati non vedevano questa tecnologia come un futuro pratico. Il motivo che ha spinto i ricercatori a porre fine all'acido formico per molti anni è stata un'elevata sovratensione elettrochimica, che ha portato a significative perdite elettriche. Ma i risultati di recenti esperimenti hanno mostrato che la ragione di questa inefficienza era l'uso del platino come catalizzatore, che è stato tradizionalmente ampiamente utilizzato a questo scopo nelle celle a combustibile. Dopo che gli scienziati dell'Università dell'Illinois hanno condotto una serie di esperimenti con altri materiali, è emerso che quando si utilizza il palladio come catalizzatore, la produttività del DFAFC è superiore a quella delle equivalenti celle a combustibile a metanolo diretto. Attualmente, i diritti su questa tecnologia sono di proprietà della società americana Tekion, che offre la sua linea di prodotti Formira Power Pack per dispositivi microelettronici. Questo sistema è un "duplex" costituito da una batteria di accumulo e dalla cella a combustibile vera e propria. Dopo che la fornitura di reagenti nella cartuccia che carica la batteria si esaurisce, l'utente la sostituirà semplicemente con una nuova. Pertanto, diventa completamente indipendente dalla "presa". Secondo le promesse del produttore, il tempo tra una ricarica e l'altra raddoppierà, nonostante la tecnologia costerà solo il 10-15% in più rispetto alle batterie convenzionali. L'unico serio ostacolo sulla strada di questa tecnologia potrebbe essere che è supportata da un'azienda di medie dimensioni e può semplicemente essere "sopraffatta" da concorrenti su larga scala che presentano le loro tecnologie, che potrebbero anche essere inferiori a DFAFC in un certo numero di parametri.

Celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC)

Queste celle a combustibile sono un sottoinsieme di dispositivi a membrana a scambio protonico. Usano metanolo caricato nella cella a combustibile senza ulteriore purificazione. Tuttavia, l'alcol metilico è molto più facile da conservare e non è esplosivo (sebbene sia infiammabile e possa causare cecità). Allo stesso tempo, la capacità energetica del metanolo è significativamente superiore a quella dell'idrogeno compresso.

Tuttavia, poiché il metanolo è in grado di filtrare attraverso la membrana, l'efficienza del DMFC con grandi volumi di carburante è bassa. Sebbene non siano adatti al trasporto e alle grandi installazioni per questo motivo, questi dispositivi sono ottimi come sostituti della batteria per dispositivi mobili.

Celle a combustibile a metanolo trasformate (RMFC)

Le celle a combustibile a metanolo trasformate differiscono dalle DMFC solo per il fatto che convertono il metanolo in idrogeno e anidride carbonica prima di generare elettricità. Ciò accade in un dispositivo speciale chiamato processore di carburante. Dopo questa fase preliminare (la reazione avviene ad una temperatura superiore a 250°C), l'idrogeno subisce una reazione di ossidazione, che porta alla formazione di acqua ed elettricità.

L'uso del metanolo nell'RMFC è dovuto al fatto che è un vettore naturale di idrogeno e a una temperatura sufficientemente bassa (rispetto ad altre sostanze) può essere decomposto in idrogeno e anidride carbonica. Pertanto, questa tecnologia è più avanzata di DMFC. Le celle a combustibile a metanolo trasformate sono più efficienti, più compatte e funzionano a temperature inferiori allo zero.

Celle a combustibile ad etanolo diretto (DEFC)

Un altro rappresentante della classe delle celle a combustibile con un reticolo di scambio protonico. Come suggerisce il nome, l'etanolo entra nella cella a combustibile bypassando le fasi di purificazione aggiuntiva o decomposizione in sostanze più semplici. Il primo vantaggio di questi dispositivi è l'uso di alcol etilico invece del metanolo tossico. Ciò significa che non è necessario investire molti soldi nello sviluppo di questo carburante.

La densità energetica dell'alcol è di circa il 30% superiore a quella del metanolo. Inoltre, può essere ottenuto in grandi quantità dalla biomassa. Al fine di ridurre il costo delle celle a combustibile a etanolo, è in corso una ricerca attiva per un materiale catalizzatore alternativo. Il platino, tradizionalmente utilizzato nelle celle a combustibile per questi scopi, è troppo costoso ed è un ostacolo significativo all'adozione di massa di queste tecnologie. La soluzione a questo problema può essere costituita da catalizzatori costituiti da una miscela di ferro, rame e nichel, che dimostrano risultati impressionanti nei sistemi sperimentali.

Celle a combustibile zinco-aria (ZAFC)

ZAFC utilizza l'ossidazione dello zinco con l'ossigeno dell'aria per generare elettricità. Queste celle a combustibile sono poco costose da produrre e forniscono una densità di energia abbastanza elevata. Attualmente sono utilizzati negli apparecchi acustici e nelle auto elettriche sperimentali.

Sul lato dell'anodo c'è una miscela di particelle di zinco con un elettrolita, e sul lato del catodo, acqua e ossigeno dell'aria, che reagiscono tra loro e formano idrossile (la sua molecola è un atomo di ossigeno e un atomo di idrogeno, tra i quali esiste un legame covalente). Come risultato della reazione dell'idrossile con la miscela di zinco, gli elettroni vengono rilasciati, andando al catodo. Tensione massima, che viene emesso da tali celle a combustibile, è 1,65 V, ma, di regola, viene ridotto artificialmente a 1,4–1,35 V, limitando l'accesso dell'aria al sistema. I prodotti finali di questa reazione elettrochimica sono ossido di zinco e acqua.

È possibile utilizzare questa tecnologia sia nelle batterie (senza ricarica) che nelle celle a combustibile. In quest'ultimo caso, la camera lato anodo viene pulita e riempita con pasta di zinco. In generale, la tecnologia ZAFC ha dimostrato di essere batterie semplici e affidabili. Il loro indiscutibile vantaggio è la capacità di controllare la reazione solo regolando l'alimentazione d'aria alla cella a combustibile. Molti ricercatori stanno considerando le celle a combustibile zinco-aria come la futura principale fonte di energia per i veicoli elettrici.

Celle a combustibile microbiche (MFC)

L'idea di utilizzare i batteri a beneficio dell'umanità non è nuova, sebbene sia arrivata solo di recente alla realizzazione di queste idee. Attualmente, la questione dell'uso commerciale delle biotecnologie per la produzione di vari prodotti (ad esempio la produzione di idrogeno da biomassa), la neutralizzazione sostanze nocive e produzione di energia elettrica. Le celle a combustibile microbiche, dette anche celle a combustibile biologiche, sono un sistema elettrochimico biologico che genera elettricità attraverso l'uso di batteri. Questa tecnologia si basa sul catabolismo (decomposizione di una molecola complessa in una più semplice con rilascio di energia) di sostanze come glucosio, acetato (sale dell'acido acetico), butirrato (sale dell'acido butirrico) o acque reflue. A causa della loro ossidazione, vengono rilasciati elettroni, che vengono trasferiti all'anodo, dopodiché la corrente elettrica generata scorre attraverso il conduttore fino al catodo.

In tali celle a combustibile, i mediatori vengono solitamente utilizzati per migliorare la permeabilità degli elettroni. Il problema è che le sostanze che svolgono il ruolo di mediatori sono costose e tossiche. Tuttavia, nel caso di utilizzo di batteri elettrochimicamente attivi, non sono necessari mediatori. Tali celle a combustibile microbiche "prive di trasmettitori" hanno iniziato a essere create abbastanza di recente e quindi, lontane da tutte le loro proprietà sono ben studiate.

Nonostante gli ostacoli che MFC deve ancora superare, questa tecnologia ha un enorme potenziale. In primo luogo, il "carburante" non è difficile da trovare. Inoltre, oggi il problema del trattamento delle acque reflue e dello smaltimento di molti rifiuti è molto acuto. L'applicazione di questa tecnologia potrebbe risolvere entrambi questi problemi. In secondo luogo, teoricamente la sua efficienza può essere molto alta. Il problema principale per gli ingegneri, le celle a combustibile microbiche sono, e in realtà l'elemento più importante di questo dispositivo, i microbi. E mentre esultano i microbiologi, che ricevono numerosi finanziamenti per la ricerca, anche gli scrittori di fantascienza si fregano le mani, anticipando il successo di libri sulle conseguenze della “pubblicazione” dei microrganismi sbagliati. Naturalmente, c'è il rischio di far emergere qualcosa che "digerisce" non solo inutili sprechi, ma anche qualcosa di prezioso. Quindi, in linea di principio, come con qualsiasi nuova biotecnologia, le persone sono diffidenti all'idea di portare in tasca una scatola infestata da batteri.

Applicazione

Centrali elettriche fisse domestiche e industriali

Le celle a combustibile sono ampiamente utilizzate come fonti di energia in tutti i tipi di sistemi autonomi, come veicoli spaziali, stazioni meteorologiche remote, installazioni militari, ecc. Il principale vantaggio di un tale sistema di alimentazione è la sua affidabilità estremamente elevata rispetto ad altre tecnologie. A causa dell'assenza di parti mobili e di qualsiasi meccanismo nelle celle a combustibile, l'affidabilità dei sistemi di alimentazione può raggiungere il 99,99%. Inoltre, nel caso di utilizzo dell'idrogeno come reagente, è possibile ottenere un peso molto ridotto, che è uno dei criteri più importanti nel caso delle apparecchiature spaziali.

Di recente si stanno diffondendo le installazioni combinate di calore ed elettricità, ampiamente utilizzate negli edifici residenziali e negli uffici. La particolarità di questi sistemi è che generano costantemente energia elettrica, che, se non consumata immediatamente, viene utilizzata per riscaldare acqua e aria. Nonostante l'efficienza elettrica di tali impianti sia solo del 15-20%, questo svantaggio è compensato dal fatto che l'elettricità non utilizzata viene utilizzata per la produzione di calore. In generale, l'efficienza energetica di tali sistemi combinati è di circa l'80%. Uno dei migliori reagenti per tali celle a combustibile è l'acido fosforico. Queste unità forniscono un'efficienza energetica del 90% (35-50% di energia elettrica e il resto di energia termica).

Trasporto

Anche i sistemi energetici basati sulle celle a combustibile sono ampiamente utilizzati nei trasporti. A proposito, i tedeschi furono tra i primi a installare celle a combustibile sui veicoli. Quindi la prima barca commerciale al mondo dotata di un simile allestimento ha debuttato otto anni fa. Questa piccola nave, soprannominata "Hydra" e progettata per trasportare fino a 22 passeggeri, è stata varata vicino all'ex capitale della Germania nel giugno 2000. L'idrogeno (cella a combustibile alcalina) agisce come un reagente che trasporta energia. Grazie all'utilizzo di celle a combustibile alcaline (alcaline), l'impianto è in grado di generare corrente a temperature fino a -10°C e non ha "paura" dell'acqua salata. La barca "Hydra", azionata da un motore elettrico da 5 kW, è in grado di raggiungere velocità fino a 6 nodi (circa 12 km/h).

Barca "Hydra"

Le celle a combustibile (in particolare alimentate a idrogeno) sono diventate molto più diffuse nel trasporto terrestre. In generale, l'idrogeno è stato utilizzato per molto tempo come carburante per i motori delle automobili e, in linea di principio, un motore a combustione interna convenzionale può essere facilmente convertito per utilizzare questo carburante alternativo. Tuttavia, la combustione convenzionale dell'idrogeno è meno efficiente della generazione di elettricità mediante reazione chimica tra idrogeno e ossigeno. E idealmente, l'idrogeno, se utilizzato nelle celle a combustibile, sarà assolutamente sicuro per la natura o, come si suol dire, "rispettoso dell'ambiente", poiché durante la reazione chimica non viene rilasciata anidride carbonica o altre sostanze che toccano la "serra effetto".

È vero, qui, come ci si aspetterebbe, ci sono diversi grandi "ma". Il fatto è che molte tecnologie per la produzione di idrogeno da risorse non rinnovabili (gas naturale, carbone, prodotti petroliferi) non sono così rispettose dell'ambiente, poiché nel loro processo viene rilasciata una grande quantità di anidride carbonica. In teoria, se si utilizzano risorse rinnovabili per ottenerlo, non ci saranno emissioni nocive. Tuttavia, in questo caso, il costo aumenta notevolmente. Secondo molti esperti, per questi motivi, il potenziale dell'idrogeno come sostituto della benzina o del gas naturale è molto limitato. Esistono già alternative meno costose e molto probabilmente le celle a combustibile sul primo elemento della tavola periodica non potranno diventare un fenomeno di massa nei veicoli.

Le case automobilistiche stanno sperimentando attivamente l'idrogeno come fonte di energia. E la ragione principale di ciò è la posizione piuttosto rigida dell'UE in relazione alle emissioni nocive nell'atmosfera. Spinti da restrizioni sempre più stringenti in Europa, Daimler AG, Fiat e Ford Motor Company hanno svelato la loro visione per il futuro delle celle a combustibile nell'industria automobilistica, dotando i loro modelli base di propulsori simili. Un altro colosso automobilistico europeo, Volkswagen, sta attualmente preparando il suo veicolo a celle a combustibile. Le aziende giapponesi e sudcoreane non restano indietro. Tuttavia, non tutti scommettono su questa tecnologia. Molte persone preferiscono modificare i motori a combustione interna o combinarli con motori elettrici alimentati a batteria. Toyota, Mazda e BMW hanno seguito questa strada. Per quanto riguarda le aziende americane, oltre alla Ford con il suo modello Focus, la General Motors ha presentato anche diverse auto a celle a combustibile. Tutte queste iniziative sono attivamente incoraggiate da molti stati. Ad esempio, negli Stati Uniti c'è una legge secondo la quale una nuova auto ibrida che entra nel mercato è esente da tasse, che possono essere una cifra abbastanza decente, perché di norma tali auto sono più costose delle loro controparti a combustione interna tradizionale motori. Pertanto, gli ibridi come acquisto diventano ancora più attraenti. Tuttavia, per ora, questa legge si applica solo ai modelli che entrano nel mercato fino a raggiungere un livello di vendita di 60.000 auto, dopodiché il vantaggio viene automaticamente annullato.

Elettronica

Non molto tempo fa, le celle a combustibile hanno iniziato a trovare un uso crescente nei laptop, cellulari e altri dispositivi elettronici mobili. La ragione di ciò era la gola in rapida crescita di dispositivi progettati per una lunga durata della batteria. Come risultato dell'uso di grandi schermi tattili nei telefoni, di potenti capacità audio e dell'introduzione del supporto per Wi-Fi, Bluetooth e altri protocolli di comunicazione wireless ad alta frequenza, anche i requisiti di capacità della batteria sono cambiati. E, nonostante le batterie abbiano fatto molta strada dai tempi dei primi cellulari, in termini di capacità e compattezza (altrimenti oggi i tifosi non sarebbero ammessi negli stadi con quest'arma con funzione di comunicazione), continuano a non tenere il passo con la miniaturizzazione dei circuiti elettronici, né con il desiderio dei produttori di incorporare tutto nei loro prodotti più funzioni. Un altro svantaggio significativo delle batterie attuali è il loro lungo tempo di ricarica. Tutto porta al fatto che più funzioni in un telefono o un lettore multimediale tascabile progettati per aumentare l'autonomia del suo proprietario (Internet wireless, sistemi di navigazione, ecc.), più dipende dalla "presa" questo dispositivo.

Non c'è nulla da dire sui laptop che sono molto più piccoli di quelli limitati nelle dimensioni massime. Da molto tempo si è formata una nicchia di laptop super efficienti, che non sono affatto destinati al funzionamento autonomo, ad eccezione di un tale trasferimento da un ufficio all'altro. E anche i membri più economici del mondo dei laptop faticano a fornire un'intera giornata di durata della batteria. Pertanto, la questione di trovare un'alternativa alle batterie tradizionali, che non sarebbe più costosa, ma anche molto più efficiente, è molto acuta. E i principali rappresentanti del settore hanno recentemente risolto questo problema. Non molto tempo fa sono state introdotte celle a combustibile a metanolo commerciali, le cui consegne di massa possono essere avviate già dal prossimo anno.

I ricercatori hanno scelto il metanolo rispetto all'idrogeno per qualche motivo. È molto più facile conservare il metanolo perché non richiede alta pressione o speciale regime di temperatura. L'alcol metilico è un liquido a una temperatura compresa tra -97,0°C e 64,7°C. in cui energia specifica contenuto nell'ennesimo volume di metanolo è un ordine di grandezza maggiore che nello stesso volume di idrogeno ad alta pressione. La tecnologia delle celle a combustibile a metanolo diretto, ampiamente utilizzata nei dispositivi elettronici mobili, prevede l'uso del metanolo dopo aver semplicemente riempito il contenitore delle celle a combustibile, bypassando la procedura di conversione catalitica (da cui il nome "metanolo diretto"). Questo è anche un grande vantaggio di questa tecnologia.

Tuttavia, come ci si aspetterebbe, tutti questi vantaggi avevano i loro svantaggi, che limitavano notevolmente l'ambito della sua applicazione. In considerazione del fatto che questa tecnologia non è stata ancora completamente sviluppata, il problema della bassa efficienza di tali celle a combustibile causata dalla "perdita" di metanolo attraverso il materiale della membrana rimane irrisolto. Inoltre, non hanno caratteristiche dinamiche impressionanti. Non è facile decidere cosa fare con l'anidride carbonica prodotta all'anodo. I moderni dispositivi DMFC non sono in grado di generare un'elevata energia, ma hanno un'elevata capacità di energia per un piccolo volume di materia. Ciò significa che, sebbene non sia ancora disponibile molta energia, le celle a combustibile a metanolo diretto possono generarla. a lungo. Ciò non consente loro di trovare un utilizzo diretto nei veicoli a causa della loro bassa potenza, ma li rende una soluzione quasi ideale per i dispositivi mobili per i quali la durata della batteria è fondamentale.

Ultime tendenze

Sebbene le celle a combustibile per veicoli siano prodotte da molto tempo, finora queste soluzioni non si sono diffuse. Ci sono molte ragioni per questo. E i principali sono l'inopportunità economica e la riluttanza dei produttori a mettere in moto la produzione di carburante a prezzi accessibili. I tentativi di forzare il naturale processo di transizione verso le fonti di energia rinnovabile, come ci si poteva aspettare, non hanno portato a nulla di buono. Naturalmente, il motivo del forte aumento dei prezzi dei prodotti agricoli è piuttosto nascosto non nel fatto che hanno iniziato a essere massicciamente convertiti in biocarburanti, ma nel fatto che molti paesi dell'Africa e dell'Asia non sono in grado di produrre abbastanza prodotti anche per soddisfare la domanda interna di prodotti.

Ovviamente, il rifiuto dell'uso dei biocarburanti non comporterà un miglioramento significativo della situazione del mercato alimentare mondiale, ma, al contrario, potrebbe colpire gli agricoltori europei e americani, che per la prima volta in tanti anni hanno ricevuto l'opportunità di guadagnare bene. Ma non si può cancellare l'aspetto etico di questo problema, è brutto riempire il "pane" nei serbatoi quando milioni di persone muoiono di fame. Pertanto, in particolare politici europei ci sarà ora un atteggiamento più freddo nei confronti delle biotecnologie, già confermato dalla revisione della strategia per il passaggio alle fonti di energia rinnovabile.

In questa situazione, la microelettronica dovrebbe diventare il campo di applicazione più promettente per le celle a combustibile. È qui che le celle a combustibile hanno maggiori possibilità di prendere piede. In primo luogo, le persone che acquistano telefoni cellulari sono più disposte a sperimentare rispetto, diciamo, agli acquirenti di automobili. E in secondo luogo, sono pronti a spendere soldi e, di regola, non sono contrari a "salvare il mondo". Lo schiacciante successo della versione rossa "Bono" del lettore iPod Nano, parte dei soldi della vendita del quale è andato alla Croce Rossa, può servire a conferma di ciò.

Versione "Bono" dell'Apple iPod Nano

Tra coloro che hanno rivolto la loro attenzione alle celle a combustibile per l'elettronica portatile, come aziende che in precedenza si erano specializzate nella creazione di celle a combustibile e ora hanno semplicemente scoperto nuova sfera loro applicazioni e produttori leader di microelettronica. Ad esempio, recentemente MTI Micro, che ha riconvertito la propria attività per produrre celle a combustibile a metanolo per dispositivi elettronici mobili, ha annunciato che inizierà la produzione di massa nel 2009. Ha anche introdotto il primo dispositivo GPS a celle a combustibile a metanolo al mondo. Secondo i rappresentanti di questa azienda, nel prossimo futuro i suoi prodotti sostituiranno completamente le tradizionali batterie agli ioni di litio. È vero, all'inizio non saranno economici, ma questo problema accompagna qualsiasi nuova tecnologia.

Per un'azienda come Sony, che ha recentemente mostrato la sua variante DMFC di un dispositivo multimediale, queste tecnologie sono nuove, ma sono seriamente intenzionate a non perdersi in un nuovo mercato promettente. A sua volta, Sharp è andata ancora oltre e, con il suo prototipo di celle a combustibile, ha recentemente stabilito un record mondiale per la capacità energetica specifica di 0,3 watt per centimetro cubo di metanolo. Anche i governi di molti paesi hanno incontrato le aziende che producono queste celle a combustibile. Così gli aeroporti di USA, Canada, Gran Bretagna, Giappone e Cina, nonostante la tossicità e l'infiammabilità del metanolo, hanno annullato le restrizioni precedentemente esistenti al suo trasporto in cabina. Naturalmente, questo è consentito solo per celle a combustibile certificate con una capacità massima di 200 ml. Tuttavia, ciò conferma ancora una volta l'interesse per questi sviluppi da parte non solo degli appassionati, ma anche degli stati.

È vero, i produttori stanno ancora cercando di andare sul sicuro e offrono celle a combustibile principalmente come sistema di alimentazione di riserva. Una di queste soluzioni è una combinazione di una cella a combustibile e una batteria: finché c'è carburante, carica costantemente la batteria e, dopo che si esaurisce, l'utente sostituisce semplicemente la cartuccia vuota con un nuovo contenitore di metanolo. Un'altra tendenza popolare è la creazione di caricabatterie per celle a combustibile. Possono essere utilizzati in movimento. Allo stesso tempo, possono caricare le batterie molto rapidamente. In altre parole, in futuro, forse tutti porteranno in tasca una simile "presa". Questo approccio può essere particolarmente rilevante nel caso dei telefoni cellulari. A loro volta, i laptop potrebbero nel prossimo futuro acquisire celle a combustibile integrate, che, se non sostituiscono completamente la ricarica dalla "presa", diventano almeno una seria alternativa ad essa.

Pertanto, secondo le previsioni della più grande azienda chimica tedesca BASF, che ha recentemente annunciato la costruzione del suo centro di sviluppo di celle a combustibile in Giappone, entro il 2010 il mercato di questi dispositivi sarà di 1 miliardo di dollari. Allo stesso tempo, i suoi analisti prevedono la crescita del mercato delle celle a combustibile a 20 miliardi di dollari entro il 2020. A proposito, BASF prevede di sviluppare celle a combustibile per l'elettronica portatile (in particolare laptop) e sistemi energetici fissi in questo centro. Il posto per questa impresa non è stato scelto a caso: l'azienda tedesca vede le aziende locali come i principali acquirenti di queste tecnologie.

Invece di una conclusione

Naturalmente, non ci si dovrebbe aspettare dalle celle a combustibile che diventeranno un sostituto del sistema di alimentazione esistente. Almeno per il prossimo futuro. Si tratta di un'arma a doppio taglio: le centrali elettriche portatili sono sicuramente più efficienti, per l'assenza di perdite legate alla fornitura di energia elettrica al consumatore, ma vale anche la pena considerare che possono diventare un serio concorrente di un'alimentazione centralizzata solo se viene creato un sistema centralizzato di alimentazione del carburante per queste installazioni. Cioè, la "presa" dovrebbe essere eventualmente sostituita da un certo tubo che fornisce i reagenti necessari a ogni casa e ogni angolo. E questa non è proprio la libertà e l'indipendenza da fonti di corrente esterne di cui parlano i produttori di celle a combustibile.

Questi dispositivi hanno un innegabile vantaggio sotto forma di velocità di ricarica: hanno semplicemente cambiato la cartuccia di metanolo (in ultima risorsa, stappando il trofeo Jack Daniel "s) nella fotocamera, e di nuovo saltando su per le scale del Louvre. D'altra parte, se, diciamo, un telefono normale si caricherà in due ore e richiederà una ricarica ogni 2-3 giorni, allora è improbabile che un'alternativa sotto forma di cambio una cartuccia venduta solo nei negozi specializzati, anche una volta ogni due settimane sarà tanto richiesta dall'utenza di massa. E, ovviamente, fino a questi duecento millilitri di carburante nascosto in un contenitore ermetico sicuro raggiungere il consumatore finale, il suo prezzo avrà il tempo di salire notevolmente, sarà possibile combattere solo dalla scala di produzione, ma questa bilancia sarà richiesta dal mercato? viene scelto il carburante, sarà molto problematico risolvere questo problema.

D'altra parte, una combinazione di tradizionale ricarica plug-in, celle a combustibile e altri sistemi di alimentazione di energia alternativa (ad esempio pannelli solari) può essere la soluzione al problema della diversificazione delle fonti di alimentazione e del passaggio a tipi ambientali. Tuttavia, per un certo gruppo di prodotti elettronici, le celle a combustibile possono essere ampiamente utilizzate. Ciò è confermato dal fatto che Canon ha recentemente brevettato le proprie celle a combustibile per fotocamere digitali e ha annunciato una strategia per incorporare queste tecnologie nelle proprie soluzioni. Per quanto riguarda i laptop, se le celle a combustibile li raggiungeranno nel prossimo futuro, molto probabilmente solo come sistema di alimentazione di riserva. Ora, ad esempio, stiamo parlando principalmente di moduli di ricarica esterni che sono inoltre collegati a un laptop.

Ma queste tecnologie hanno enormi prospettive di sviluppo a lungo termine. Soprattutto alla luce della minaccia della fame di petrolio, che potrebbe verificarsi nei prossimi decenni. In queste condizioni, è più importante non nemmeno quanto sarà economica la produzione di celle a combustibile, ma quanto sarà la produzione di carburante per loro indipendentemente dall'industria petrolchimica e se sarà in grado di coprirne il fabbisogno.

Nessuno sarà sorpreso né dai pannelli solari né dai mulini a vento, che generano elettricità in tutte le regioni del mondo. Ma l'uscita da questi dispositivi non è costante ed è necessario installare fonti di alimentazione di riserva o connettersi alla rete per ricevere elettricità durante il periodo in cui gli impianti di energia rinnovabile non generano elettricità. Tuttavia, ci sono impianti sviluppati nel XIX secolo che utilizzano combustibili "alternativi" per generare elettricità, cioè non bruciano gas o prodotti petroliferi. Tali installazioni sono celle a combustibile.

STORIA DELLA CREAZIONE

Le pile a combustibile (FC) o pile a combustibile furono scoperte già nel 1838-1839 da William Grove (Grow, Grove) mentre studiava l'elettrolisi dell'acqua.

Riferimento: L'elettrolisi dell'acqua è il processo di decomposizione dell'acqua sotto l'azione di una corrente elettrica in molecole di idrogeno e ossigeno.

Scollegando la batteria dalla cella elettrolitica, fu sorpreso di scoprire che gli elettrodi iniziavano ad assorbire il gas rilasciato ea generare corrente. La scoperta del processo di combustione elettrochimica "a freddo" dell'idrogeno è diventata un evento significativo nell'industria energetica. Successivamente ha creato l'accumulatore Grove. Questo dispositivo aveva un elettrodo di platino immerso in acido nitrico e un elettrodo di zinco in solfato di zinco. Ha generato una corrente di 12 ampere e una tensione di 8 volt. Grow stesso chiamava questa costruzione "batteria umida". Ha quindi creato una batteria utilizzando due elettrodi di platino. Un'estremità di ciascun elettrodo era in acido solforico, mentre le altre estremità erano sigillate in contenitori di idrogeno e ossigeno. C'era una corrente stabile tra gli elettrodi e la quantità di acqua all'interno dei contenitori è aumentata. Grow è stato in grado di decomporre e migliorare l'acqua in questo dispositivo.

"La batteria della crescita"

(fonte: Royal Society del Museo Nazionale di Storia Naturale)

Il termine "cella a combustibile" (inglese "Fuel Cell") apparve solo nel 1889 da L. Mond e
Ch. Langer, che ha cercato di creare un dispositivo per la generazione di elettricità dall'aria e dal gas di carbone.

COME FUNZIONA?

La cella a combustibile è un dispositivo relativamente semplice. Ha due elettrodi: un anodo (elettrodo negativo) e un catodo (elettrodo positivo). Una reazione chimica avviene sugli elettrodi. Per accelerare, la superficie degli elettrodi è rivestita con un catalizzatore. Le celle a combustibile sono dotate di un elemento in più - una membrana. La conversione dell'energia chimica del combustibile direttamente in elettricità avviene per il lavoro della membrana. Separa le due camere dell'elemento in cui vengono alimentati il ​​carburante e l'ossidante. La membrana consente solo ai protoni, che si ottengono a seguito della scissione del combustibile, di passare da una camera all'altra su un elettrodo rivestito da un catalizzatore (gli elettroni passano quindi attraverso il circuito esterno). Nella seconda camera, i protoni si ricombinano con gli elettroni (e gli atomi di ossigeno) per formare acqua.

Principio di funzionamento di una cella a combustibile a idrogeno

A livello chimico, il processo di conversione dell'energia del combustibile in energia elettrica è simile al normale processo di combustione (ossidazione).

Durante la normale combustione in ossigeno, il combustibile organico viene ossidato e l'energia chimica del combustibile viene convertita in energia termica. Vediamo cosa succede quando l'idrogeno viene ossidato dall'ossigeno in un mezzo elettrolitico e in presenza di elettrodi.

Fornendo idrogeno a un elettrodo situato in un ambiente alcalino, procede una reazione chimica:

2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e -

Come puoi vedere, otteniamo elettroni che, passando attraverso il circuito esterno, entrano nell'elettrodo opposto, a cui entra l'ossigeno e dove avviene la reazione:

4e- + O 2 + 2H 2 O → 4OH -

Si può vedere che la reazione risultante 2H 2 + O 2 → H 2 O è la stessa della combustione convenzionale, ma la cella a combustibile genera elettricità e un po' di calore.

TIPI DI CELLE A COMBUSTIBILE

FC è classificato in base al tipo di elettrolita utilizzato per la reazione:

Va notato che carbone, monossido di carbonio, alcoli, idrazina e altre sostanze organiche possono anche essere usati come combustibili nelle celle a combustibile e aria, perossido di idrogeno, cloro, bromo, acido nitrico, ecc. Possono essere usati come agenti ossidanti.

CELLA A COMBUSTIBILE Efficienza

Una caratteristica delle celle a combustibile è nessun limite all'efficienza come una macchina termica.

Aiuto: efficienzaCiclo di Carnot è la massima efficienza possibile tra tutti i motori termici con le stesse temperature minima e massima.

Pertanto, l'efficienza delle celle a combustibile in teoria può essere superiore al 100%. Molti sorridevano e pensavano: "La macchina del moto perpetuo è stata inventata". No, vale la pena tornare al corso di chimica della scuola. La cella a combustibile si basa sulla conversione di energia chimica in energia elettrica. È qui che accadono i miracoli. Alcune reazioni chimiche nel processo possono assorbire il calore dall'ambiente.

Riferimento: le reazioni endotermiche sono reazioni chimiche accompagnate dall'assorbimento di calore. Per le reazioni endotermiche, la variazione di entalpia e Energia interna hanno valori positivi (Δ H >0, Δ u >0), quindi i prodotti di reazione contengono più energia rispetto ai componenti originali.

Un esempio di tale reazione è l'ossidazione dell'idrogeno, che viene utilizzata nella maggior parte delle celle a combustibile. Pertanto, in teoria, l'efficienza può essere superiore al 100%. Ma oggi, le celle a combustibile si riscaldano durante il funzionamento e non possono assorbire il calore dall'ambiente.

Riferimento: Questa limitazione è imposta dalla seconda legge della termodinamica. Il processo di trasferimento del calore da un corpo "freddo" a uno "caldo" non è possibile.

Inoltre, ci sono perdite associate a processi di non equilibrio. Come ad esempio: perdite ohmiche dovute alla conducibilità specifica dell'elettrolita e degli elettrodi, attivazione e polarizzazione di concentrazione, perdite per diffusione. Di conseguenza, parte dell'energia generata nelle celle a combustibile viene convertita in calore. Pertanto, le celle a combustibile non sono macchine a moto perpetuo e la loro efficienza è inferiore al 100%. Ma la loro efficienza è maggiore di quella di altre macchine. In data odierna l'efficienza delle celle a combustibile raggiunge l'80%.

Riferimento: Negli anni Quaranta, l'ingegnere inglese T. Bacon progettò e costruì una batteria a celle a combustibile con una potenza totale di 6 kW e un'efficienza dell'80%, funzionante a idrogeno e ossigeno puri, ma il rapporto peso/potenza della batteria girava troppo piccole - tali celle erano inadatte all'uso pratico e troppo costose (fonte: http://www.powerinfo.ru/).

PROBLEMI CON LE CELLE A COMBUSTIBILE

Quasi tutte le celle a combustibile utilizzano l'idrogeno come combustibile, quindi la domanda logica è: "Dove posso trovarlo?"

Sembra che una cella a combustibile sia stata scoperta come risultato dell'elettrolisi, quindi puoi usare l'idrogeno rilasciato come risultato dell'elettrolisi. Ma diamo un'occhiata più da vicino a questo processo.

Secondo la legge di Faraday: la quantità di una sostanza che si ossida all'anodo o si riduce al catodo è proporzionale alla quantità di elettricità che è passata attraverso l'elettrolita. Ciò significa che per ottenere più idrogeno, è necessario spendere più elettricità. I metodi esistenti di elettrolisi dell'acqua funzionano con un'efficienza inferiore all'unità. Quindi utilizziamo l'idrogeno risultante nelle celle a combustibile, dove anche l'efficienza è inferiore all'unità. Pertanto, spenderemo più energia di quella che possiamo generare.

Naturalmente può essere utilizzato anche idrogeno derivato dal gas naturale. Questo metodo di produzione dell'idrogeno rimane il più economico e popolare. Attualmente, circa il 50% dell'idrogeno prodotto nel mondo è ottenuto dal gas naturale. Ma c'è un problema con lo stoccaggio e il trasporto dell'idrogeno. L'idrogeno ha una bassa densità ( un litro di idrogeno pesa 0,0846 grammi), pertanto, per trasportarlo su lunghe distanze, deve essere compresso. E questo è un costo aggiuntivo di energia e denaro. Inoltre, non dimenticare la sicurezza.

Tuttavia, c'è anche una soluzione qui: il carburante idrocarburico liquido può essere utilizzato come fonte di idrogeno. Ad esempio, alcol etilico o metilico. È vero, qui è già necessario uno speciale dispositivo aggiuntivo: un convertitore di carburante, ad alta temperatura (per il metanolo sarà da qualche parte intorno a 240 ° C) che converte gli alcoli in una miscela di H 2 gassosa e CO 2. Ma in questo caso è già più difficile pensare alla portabilità: tali dispositivi sono buoni da usare come generatori fissi o per auto, ma per apparecchiature mobili compatte è necessario qualcosa di meno ingombrante.

Catalizzatore

Per migliorare la reazione in una cella a combustibile, la superficie dell'anodo è solitamente un catalizzatore. Fino a poco tempo, il platino veniva usato come catalizzatore. Pertanto, il costo della cella a combustibile era elevato. In secondo luogo, il platino è un metallo relativamente raro. Secondo gli esperti, nella produzione industriale di celle a combustibile, le riserve di platino esplorate si esauriranno in 15-20 anni. Ma gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di sostituire il platino con altri materiali. A proposito, alcuni di loro hanno ottenuto buoni risultati. Così gli scienziati cinesi hanno sostituito il platino con l'ossido di calcio (fonte: www.cheburek.net).

UTILIZZO DI CELLE A COMBUSTIBILE

Per la prima volta, una cella a combustibile nella tecnologia automobilistica è stata testata nel 1959. Il trattore Alice-Chambers utilizzava 1008 batterie per funzionare. Il carburante era una miscela di gas, principalmente propano e ossigeno.

Fonte: http://www.planetseed.com/

Dalla metà degli anni '60, al culmine della "corsa allo spazio", i creatori di veicoli spaziali si interessarono alle celle a combustibile. Il lavoro di migliaia di scienziati e ingegneri ha permesso di raggiungere un nuovo livello e nel 1965. Le celle a combustibile sono state testate negli Stati Uniti sulla navicella Gemini 5, e successivamente sulla navicella Apollo per i voli sulla Luna e nell'ambito del programma Shuttle. In URSS, le celle a combustibile sono state sviluppate presso la NPO Kvant, anche per l'uso nello spazio (fonte: http://www.powerinfo.ru/).

Poiché il prodotto finale della combustione dell'idrogeno in una cella a combustibile è l'acqua, sono considerati i più puliti in termini di impatto ambientale. Pertanto, le celle a combustibile hanno iniziato a guadagnare popolarità sullo sfondo di un interesse generale per l'ecologia.

Già attualmente, case automobilistiche come Honda, Ford, Nissan e Mercedes-Benz hanno creato veicoli alimentati da celle a combustibile a idrogeno.

Mercedes-Benz - Ener-G-Force alimentata a idrogeno

Quando si utilizzano auto a idrogeno, il problema con lo stoccaggio dell'idrogeno è risolto. La costruzione di stazioni di rifornimento di idrogeno consentirà di fare rifornimento ovunque. Inoltre, riempire un'auto con idrogeno è più veloce che caricare un'auto elettrica in una stazione di servizio. Ma quando hanno implementato tali progetti, hanno dovuto affrontare un problema come quello dei veicoli elettrici. Le persone sono pronte a "trasferirsi" su un'auto a idrogeno se c'è un'infrastruttura per loro. E la costruzione di distributori di benzina inizierà se c'è un numero sufficiente di consumatori. Pertanto, siamo nuovamente giunti al dilemma delle uova e del pollo.

Le celle a combustibile sono ampiamente utilizzate nei telefoni cellulari e nei laptop. Sono finiti i giorni in cui il telefono veniva caricato una volta alla settimana. Ora il telefono si sta caricando, quasi ogni giorno, e il laptop funziona senza rete per 3-4 ore. Pertanto, i produttori di tecnologia mobile hanno deciso di sintetizzare una cella a combustibile con telefoni e laptop per la ricarica e il funzionamento. Ad esempio, Toshiba nel 2003 ha dimostrato un prototipo finito di una cella a combustibile a metanolo. Dà una potenza di circa 100mW. Una ricarica di 2 cubetti di metanolo concentrato (99,5%) è sufficiente per 20 ore di funzionamento del lettore MP3. Ancora una volta, lo stesso "Toshiba" ha dimostrato un elemento di alimentazione per laptop da 275x75x40 mm, che consente al computer di funzionare per 5 ore con una sola carica.

Ma alcuni produttori sono andati oltre. PowerTrekk è stato rilasciato Caricabatterie con lo stesso nome. PowerTrekk è il primo caricatore d'acqua al mondo. È molto facile da usare. Il PowerTrekk ha bisogno di acqua da aggiungere per fornire alimentazione istantanea tramite il cavo USB. Questa cella a combustibile contiene polvere di silicio e siliciuro di sodio (NaSi) se miscelati con acqua, questa combinazione genera idrogeno. L'idrogeno si mescola con l'aria nella stessa cella a combustibile e converte l'idrogeno in elettricità attraverso lo scambio di protoni di membrana, senza ventole o pompe. Puoi acquistare un caricabatterie portatile del genere per 149 € (

Ecologia della conoscenza Scienza e tecnologia: l'energia a idrogeno è una delle industrie più efficienti e le celle a combustibile le consentono di rimanere all'avanguardia nelle tecnologie innovative.

Una cella a combustibile è un dispositivo che genera in modo efficiente corrente continua e calore da un combustibile ricco di idrogeno attraverso una reazione elettrochimica.

Una cella a combustibile è simile a una batteria in quanto genera corrente continua attraverso una reazione chimica. Ancora una volta, come una batteria, una cella a combustibile include un anodo, un catodo e un elettrolita. Tuttavia, a differenza delle batterie, le celle a combustibile non possono immagazzinare energia elettrica, non si scaricano e non richiedono elettricità per essere ricaricate. Le celle a combustibile possono generare continuamente elettricità fintanto che hanno una scorta di carburante e aria. Il termine corretto per descrivere una cella a combustibile funzionante è sistema a celle, poiché richiede alcuni sistemi ausiliari per funzionare correttamente.

A differenza di altri generatori di energia come motori a combustione interna o turbine alimentate a gas, carbone, petrolio, ecc., le celle a combustibile non bruciano carburante. Ciò significa assenza di rotori rumorosi alta pressione, forte rumore di scarico, vibrazioni. Le celle a combustibile generano elettricità attraverso una reazione elettrochimica silenziosa. Un'altra caratteristica delle pile a combustibile è che convertono l'energia chimica del combustibile direttamente in elettricità, calore e acqua.

Le celle a combustibile sono altamente efficienti e non producono grandi quantità di gas serra come anidride carbonica, metano e protossido di azoto. Le uniche emissioni delle celle a combustibile sono l'acqua sotto forma di vapore e una piccola quantità di anidride carbonica, che non viene emessa affatto se si utilizza idrogeno puro come combustibile. Le celle a combustibile vengono assemblate in gruppi e quindi in moduli funzionali separati.

Il principio di funzionamento delle celle a combustibile

Le celle a combustibile generano elettricità e calore a causa della reazione elettrochimica in corso, utilizzando un elettrolita, un catodo e un anodo.

L'anodo e il catodo sono separati da un elettrolita che conduce i protoni. Dopo che l'idrogeno è entrato nell'anodo e l'ossigeno è entrato nel catodo, inizia una reazione chimica, a seguito della quale vengono generati corrente elettrica, calore e acqua. Sul catalizzatore anodico, l'idrogeno molecolare si dissocia e perde elettroni. Gli ioni idrogeno (protoni) vengono condotti attraverso l'elettrolita al catodo, mentre gli elettroni vengono fatti passare attraverso l'elettrolita e attraverso un circuito elettrico esterno, creando una corrente continua che può essere utilizzata per alimentare le apparecchiature. Sul catalizzatore catodico, una molecola di ossigeno si combina con un elettrone (che viene fornito da comunicazioni esterne) e un protone in arrivo e forma acqua, che è l'unico prodotto di reazione (sotto forma di vapore e/o liquido).

Di seguito è riportata la reazione corrispondente:

Reazione anodica: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reazione elemento generale: 2H2 + O2 => 2H2O

Tipi di celle a combustibile

Proprio come ci sono diversi tipi di motori a combustione interna, ci sono diversi tipi di celle a combustibile: la scelta tipo adatto cella a combustibile dipende dalla sua applicazione.Le celle a combustibile si dividono in alta temperatura e bassa temperatura. Le celle a combustibile a bassa temperatura richiedono idrogeno relativamente puro come combustibile.

Questo spesso significa che è necessaria la lavorazione del combustibile per convertire il combustibile primario (come il gas naturale) in idrogeno puro. Questo processo consuma energia aggiuntiva e richiede attrezzature speciali. Le celle a combustibile ad alta temperatura non necessitano di questa procedura aggiuntiva, poiché possono "convertire internamente" il carburante a temperature elevate, il che significa che non è necessario investire nelle infrastrutture dell'idrogeno.

Elementi combustibili su carbonato fuso (MCFC).

Le celle a combustibile a elettrolita di carbonato fuso sono celle a combustibile ad alta temperatura. L'elevata temperatura di esercizio consente l'utilizzo diretto del gas naturale senza un processore di carburante e del gas combustibile con basso valore calorico carburante processi di produzione e da altre fonti. Questo processo è stato sviluppato a metà degli anni '60. Da allora, la tecnologia di produzione, le prestazioni e l'affidabilità sono state migliorate.

Il funzionamento di RCFC è diverso dalle altre celle a combustibile. Queste cellule utilizzano un elettrolita da una miscela di sali di carbonato fusi. Attualmente si utilizzano due tipi di miscele: carbonato di litio e carbonato di potassio oppure carbonato di litio e carbonato di sodio. Per fondere i sali di carbonato e ottenere un elevato grado di mobilità degli ioni nell'elettrolita, le celle a combustibile con elettrolita di carbonato fuso funzionano a temperature elevate (650°C). L'efficienza varia tra il 60 e l'80%.

Quando riscaldati ad una temperatura di 650°C, i sali diventano un conduttore per gli ioni carbonato (CO32-). Questi ioni passano dal catodo all'anodo dove si combinano con l'idrogeno per formare acqua, anidride carbonica ed elettroni liberi. Questi elettroni vengono inviati attraverso un circuito elettrico esterno al catodo, generando corrente elettrica e calore come sottoprodotto.

Reazione anodica: CO32- + H2 => H2O + CO2 + 2e-
Reazione al catodo: CO2 + 1/2O2 + 2e- => CO32-
Reazione elemento generale: H2(g) + 1/2O2(g) + CO2(catodo) => H2O(g) + CO2(anodo)

Le elevate temperature di esercizio delle celle a combustibile a elettrolita di carbonato fuso presentano alcuni vantaggi. Ad alte temperature, il gas naturale viene riformato internamente, eliminando la necessità di un processore di carburante. Inoltre, i vantaggi includono la possibilità di utilizzare materiali di costruzione standard, come lamiera di acciaio inossidabile e catalizzatore di nichel sugli elettrodi. Il calore di scarto può essere utilizzato per generare vapore ad alta pressione per vari scopi industriali e commerciali.

Anche le alte temperature di reazione nell'elettrolita hanno i loro vantaggi. L'uso di alte temperature richiede molto tempo per raggiungere le condizioni operative ottimali e il sistema reagisce più lentamente alle variazioni del consumo energetico. Queste caratteristiche consentono l'utilizzo di sistemi a celle a combustibile con elettrolita carbonato fuso in condizioni di potenza costante. Le alte temperature prevengono il danneggiamento delle celle a combustibile da monossido di carbonio, "avvelenamento", ecc.

Le celle a combustibile a carbonato fuso sono adatte per l'uso in grandi installazioni fisse. Centrali termiche di produzione industriale con potenza energia elettrica 2,8 MW. Sono in fase di sviluppo impianti con una potenza di uscita fino a 100 MW.

Celle a combustibile a base di acido fosforico (PFC).

Le celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) sono state le prime celle a combustibile per uso commerciale. Questo processo è stato sviluppato a metà degli anni '60 ed è stato testato dagli anni '70. Da allora, stabilità, prestazioni e costi sono stati aumentati.

Le celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) utilizzano un elettrolita a base di acido ortofosforico (H3PO4) con una concentrazione fino al 100%. La conducibilità ionica dell'acido fosforico è bassa alle basse temperature, per questo motivo queste celle a combustibile vengono utilizzate a temperature fino a 150–220°C.

Caricatore nelle celle a combustibile di questo tipoè idrogeno (H+, protone). Un processo simile si verifica nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (MEFC), in cui l'idrogeno fornito all'anodo viene suddiviso in protoni ed elettroni. I protoni passano attraverso l'elettrolita e si combinano con l'ossigeno dell'aria al catodo per formare acqua. Gli elettroni sono diretti lungo un circuito elettrico esterno e viene generata una corrente elettrica. Di seguito sono riportate le reazioni che generano elettricità e calore.

Reazione anodica: 2H2 => 4H+ + 4e-
Reazione al catodo: O2(g) + 4H+ + 4e- => 2H2O
Reazione elemento generale: 2H2 + O2 => 2H2O

L'efficienza delle celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) è superiore al 40% durante la generazione di energia elettrica. Nella produzione combinata di calore ed elettricità, l'efficienza complessiva è di circa l'85%. Inoltre, date le temperature di esercizio, il calore di scarto può essere utilizzato per riscaldare l'acqua e generare vapore a pressione atmosferica.

L'alto rendimento delle centrali termoelettriche a celle a combustibile a base di acido fosforico (ortofosforico) nella produzione combinata di calore ed elettricità è uno dei vantaggi di questa tipologia di celle a combustibile. Gli impianti utilizzano monossido di carbonio ad una concentrazione di circa l'1,5%, che amplia notevolmente la scelta del combustibile. Inoltre, la CO2 non influisce sull'elettrolita e sul funzionamento della cella a combustibile, questo tipo di cella funziona con combustibile naturale riformato. Anche la costruzione semplice, la bassa volatilità degli elettroliti e la maggiore stabilità sono vantaggi di questo tipo di celle a combustibile.

Le centrali termiche con una potenza elettrica in uscita fino a 400 kW sono prodotte industrialmente. Gli impianti per 11 MW hanno superato i relativi test. Sono in fase di sviluppo impianti con una potenza di uscita fino a 100 MW.

Celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PME)

Le celle a combustibile con membrana a scambio protonico sono le più considerate miglior tipo celle a combustibile per generare potenza del veicolo in grado di sostituire i motori a combustione interna a benzina e diesel. Queste celle a combustibile sono state utilizzate per la prima volta dalla NASA per il programma Gemini. Oggi vengono sviluppate e dimostrate installazioni su MOPFC con una potenza da 1 W a 2 kW.

Queste celle a combustibile utilizzano una membrana polimerica solida (sottile film plastico) come elettrolita. Quando è impregnato di acqua, questo polimero passa i protoni, ma non conduce gli elettroni.

Il carburante è idrogeno e il vettore di carica è uno ione idrogeno (protone). All'anodo, la molecola di idrogeno è separata in uno ione idrogeno (protone) ed elettroni. Gli ioni idrogeno passano attraverso l'elettrolita al catodo, mentre gli elettroni si muovono attorno al cerchio esterno e producono energia elettrica. L'ossigeno, che viene prelevato dall'aria, viene alimentato al catodo e si combina con gli elettroni e gli ioni idrogeno per formare acqua. Sugli elettrodi si verificano le seguenti reazioni:

Reazione anodica: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reazione elemento generale: 2H2 + O2 => 2H2O

Rispetto ad altri tipi di celle a combustibile, le celle a combustibile a membrana a scambio protonico producono più potenza per un dato volume o peso di celle a combustibile. Questa caratteristica consente loro di essere compatti e leggeri. Inoltre, la temperatura di esercizio è inferiore a 100°C, il che consente di avviare rapidamente il funzionamento. Queste caratteristiche, così come la capacità di modificare rapidamente la produzione di energia, sono solo alcune delle caratteristiche che rendono queste celle a combustibile un ottimo candidato per l'uso nei veicoli.

Un altro vantaggio è che l'elettrolita è una sostanza solida anziché liquida. Mantenere i gas al catodo e all'anodo è più facile con un elettrolita solido e quindi tali celle a combustibile sono più economiche da produrre. Rispetto ad altri elettroliti, l'uso di un elettrolita solido non causa problemi come l'orientamento, ci sono meno problemi dovuti al verificarsi della corrosione, che porta ad una maggiore durata della cella e dei suoi componenti.

Celle a combustibile a ossido solido (SOFC)

Le celle a combustibile a ossido solido sono le celle a combustibile con la temperatura di esercizio più elevata. La temperatura di esercizio può variare da 600°C a 1000°C, il che consente l'utilizzo di vari tipi di carburante senza particolari pretrattamenti. Per gestire queste alte temperature, l'elettrolita utilizzato è un sottile ossido di metallo solido a base di ceramica, spesso una lega di ittrio e zirconio, che è un conduttore di ioni ossigeno (O2-). La tecnologia di utilizzo delle celle a combustibile a ossido solido si è sviluppata dalla fine degli anni '50. ed ha due configurazioni: planare e tubolare.

Un elettrolita solido fornisce una transizione ermetica del gas da un elettrodo all'altro, mentre gli elettroliti liquidi si trovano in un substrato poroso. Il vettore di carica nelle celle a combustibile di questo tipo è lo ione ossigeno (О2-). Al catodo, le molecole di ossigeno vengono separate dall'aria in uno ione ossigeno e quattro elettroni. Gli ioni ossigeno passano attraverso l'elettrolita e si combinano con l'idrogeno per formare quattro elettroni liberi. Gli elettroni sono diretti attraverso un circuito elettrico esterno, generando corrente elettrica e calore di scarto.

Reazione anodica: 2H2 + 2O2- => 2H2O + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 4e- => 2O2-
Reazione elemento generale: 2H2 + O2 => 2H2O

L'efficienza dell'energia elettrica generata è la più alta di tutte le celle a combustibile - circa il 60%. Inoltre, le elevate temperature di esercizio consentono la generazione combinata di calore ed elettricità per generare vapore ad alta pressione. La combinazione di una cella a combustibile ad alta temperatura con una turbina crea una cella a combustibile ibrida per aumentare l'efficienza della generazione di energia elettrica fino al 70%.

Le celle a combustibile a ossido solido funzionano a temperature molto elevate (600°C-1000°C), risultando in molto tempo per raggiungere condizioni operative ottimali e il sistema è più lento nel rispondere alle variazioni del consumo energetico. A temperature di esercizio così elevate, non è richiesto alcun convertitore per recuperare idrogeno dal combustibile, consentendo all'impianto termoelettrico di funzionare con combustibili relativamente impuri dalla gassificazione del carbone o gas di scarico e simili. Inoltre, questa cella a combustibile è eccellente per applicazioni ad alta potenza, comprese centrali industriali e grandi centrali elettriche. Moduli di produzione industriale con una potenza elettrica in uscita di 100 kW.

Celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo (DOMTE)

La tecnologia di utilizzo delle celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo sta attraversando un periodo di sviluppo attivo. Si è affermata con successo nel campo dell'alimentazione di telefoni cellulari, laptop e nella creazione di fonti di alimentazione portatili. a cosa mira la futura applicazione di questi elementi.

La struttura delle celle a combustibile con ossidazione diretta del metanolo è simile alle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (MOFEC), cioè un polimero viene utilizzato come elettrolita e uno ione idrogeno (protone) viene utilizzato come portatore di carica. Tuttavia, il metanolo liquido (CH3OH) viene ossidato in presenza di acqua all'anodo, rilasciando CO2, ioni idrogeno ed elettroni, che vengono guidati attraverso un circuito elettrico esterno, e viene generata una corrente elettrica. Gli ioni idrogeno passano attraverso l'elettrolita e reagiscono con l'ossigeno dell'aria e gli elettroni del circuito esterno per formare acqua all'anodo.

Reazione anodica: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-
Reazione al catodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O
Reazione elemento generale: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Lo sviluppo di queste celle a combustibile è iniziato nei primi anni '90. Dopo lo sviluppo di catalizzatori migliorati, e grazie ad altre recenti innovazioni, la densità di potenza e l'efficienza sono state aumentate fino al 40%.

Questi elementi sono stati testati nell'intervallo di temperatura di 50-120°C. Con basse temperature di esercizio e senza la necessità di un convertitore, le celle a combustibile a metanolo diretto sono il miglior candidato per applicazioni che vanno dai telefoni cellulari e altri prodotti di consumo ai motori automobilistici. Il vantaggio di questo tipo di celle a combustibile è la loro piccola dimensione, dovuta all'utilizzo di combustibile liquido, e l'assenza della necessità di utilizzare un convertitore.

Celle a combustibile alcaline (AFC)

Le celle a combustibile alcaline (ALFC) sono una delle tecnologie più studiate e sono state utilizzate dalla metà degli anni '60. dalla NASA nei programmi Apollo e Space Shuttle. A bordo di questi veicoli spaziali, le celle a combustibile producono elettricità e acqua potabile. Le celle a combustibile alcaline sono uno degli elementi più efficienti utilizzati per generare elettricità, con un'efficienza di generazione di energia che arriva fino al 70%.

Le celle a combustibile alcaline utilizzano un elettrolita, ovvero una soluzione acquosa di idrossido di potassio, contenuto in una matrice porosa e stabilizzata. La concentrazione di idrossido di potassio può variare a seconda della temperatura di esercizio della cella a combustibile, che varia da 65°C a 220°C. Il vettore di carica nell'SFC è uno ione idrossido (OH-) che si muove dal catodo all'anodo, dove reagisce con l'idrogeno per produrre acqua ed elettroni. L'acqua prodotta all'anodo torna al catodo, generando nuovamente ioni idrossido lì. Come risultato di questa serie di reazioni che avvengono nella cella a combustibile, viene prodotta elettricità e, come sottoprodotto, calore:

Reazione anodica: 2H2 + 4OH- => 4H2O + 4e-
Reazione al catodo: O2 + 2H2O + 4e- => 4OH-
Reazione generale del sistema: 2H2 + O2 => 2H2O

Il vantaggio degli SFC è che queste celle a combustibile sono le più economiche da produrre, poiché il catalizzatore necessario sugli elettrodi può essere una qualsiasi delle sostanze più economiche di quelle utilizzate come catalizzatori per altre celle a combustibile. Inoltre, gli SCFC funzionano a una temperatura relativamente bassa e sono tra le celle a combustibile più efficienti: tali caratteristiche possono rispettivamente contribuire a una generazione di energia più rapida ea un'elevata efficienza del carburante.

Uno di caratteristiche peculiari SHTE - alta sensibilità alla CO2, che può essere contenuta nel carburante o nell'aria. La CO2 reagisce con l'elettrolita, lo avvelena rapidamente e riduce notevolmente l'efficienza della cella a combustibile. Pertanto, l'uso degli SFC è limitato agli spazi chiusi come lo spazio e i veicoli subacquei, devono funzionare con idrogeno e ossigeno puri. Inoltre, molecole come CO, H2O e CH4, che sono sicure per altre celle a combustibile e persino come combustibile per alcune di esse, sono dannose per gli SFC.

Celle a combustibile a elettrolita polimerico (PETE)

Nel caso delle celle a combustibile elettrolitiche polimeriche, la membrana polimerica è costituita da fibre polimeriche con regioni d'acqua in cui vi è una conduzione di ioni d'acqua H2O+ (protone, rosso) è attaccato alla molecola d'acqua. Le molecole d'acqua presentano un problema a causa del lento scambio ionico. Pertanto è richiesta un'elevata concentrazione di acqua sia nel carburante che sugli elettrodi di scarico, che limita la temperatura di esercizio a 100°C.

Celle a combustibile ad acido solido (SCFC)

Nelle celle a combustibile ad acido solido, l'elettrolita (CsHSO4) non contiene acqua. La temperatura di esercizio è quindi di 100-300°C. La rotazione degli anioni SO42-ossi consente ai protoni (rossi) di muoversi come mostrato in figura.

Tipicamente, una cella a combustibile acido solido è un sandwich in cui uno strato molto sottile di composto acido solido è inserito tra due elettrodi strettamente compressi per garantire un buon contatto. Quando riscaldata, la componente organica evapora, lasciando attraverso i pori negli elettrodi, mantenendo la capacità di numerosi contatti tra il combustibile (o ossigeno all'altra estremità delle celle), elettrolita ed elettrodi.pubblicato

Tipo di cella a combustibile	Temperatura di lavoro	Efficienza nella produzione di energia	Tipo di carburante	Area di applicazione
RKTE	550–700°C	50-70%		Installazioni di medie e grandi dimensioni
FKTE	100–220°C	35-40%	idrogeno puro	Grandi installazioni
MOPTE	30-100°C	35-50%	idrogeno puro	Piccole installazioni
SOFC	450–1000°C	45-70%	La maggior parte dei combustibili a base di idrocarburi	Piccole, medie e grandi installazioni
POTE	20-90°C	20-30%	metanolo	Unità portatili
SHTE	50–200°C	40-65%	idrogeno puro	ricerca spaziale
PETE	30-100°C	35-50%	idrogeno puro	Piccole installazioni

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Poco dopo l'inizio del suo viaggio, Aloy si imbatterà in un bunker dei Precursori, situato appena fuori dalle terre della tribù Nora. All'interno del bunker, dietro una potente porta, c'è una specie di armatura che sembra molto attraente da lontano.

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Poco dopo l'inizio del suo viaggio, Aloy si imbatterà in un bunker dei Precursori, situato appena fuori dalle terre della tribù Nora. All'interno del bunker, dietro una potente porta, c'è una specie di armatura che sembra molto attraente da lontano.

Questo è lo Shield Weaver, infatti, il miglior equipaggiamento del gioco. Come arrivarci? Per aprire la porta ermetica del bunker e ottenere lo Shield Weaver, dovrai trovare cinque celle a combustibile sparse per il mondo di gioco.

Di seguito ti mostreremo dove cercare le celle a combustibile e come risolvere enigmi durante la ricerca e nell'antica armeria.

Cella a combustibile n. 1 - Cuore di madre (quest Grembo della madre)

Aloy troverà la primissima cella a combustibile anche prima che si esaurisca mondo aperto. Dopo l'iniziazione, la nostra eroina si ritroverà nel Cuore della Madre, luogo sacro della tribù Nora e dimora delle Matriarche.

Alzandosi dal letto, Aloy attraverserà diverse stanze in sequenza e in una di esse si imbatterà in una porta sigillata che non può essere aperta. Guardati intorno: ci sarà un condotto di ventilazione nelle vicinanze, decorato con candele accese. Ehi, tu.

Dopo aver attraversato la miniera, ti ritroverai dietro una porta chiusa a chiave. Guarda sul pavimento accanto alle candele e al misterioso blocco del muro: qui c'è una cella a combustibile.

Importante: Se non raccogli questa cella a combustibile ora, potrai tornare in questa posizione solo nelle fasi successive del gioco, dopo aver completato la missione "Cuore della tana".

Cella a combustibile n. 2 - Rovine

Aloy era già stata in queste rovine prima - era caduta lì da bambina. Dopo aver superato l'Iniziazione, vale la pena ricordare la tua infanzia e tornare di nuovo qui, raccogliendo la seconda cella a combustibile.

L'ingresso alle rovine si presenta così, salta audacemente.

Hai bisogno del primo livello delle rovine, l'area in basso a destra evidenziata in viola sulla mappa. C'è una porta qui che Aloy aprirà con la sua lancia.

Dopo aver varcato la porta, sali le scale e gira a destra - Aloy non poteva arrampicarsi attraverso queste stalattiti in gioventù, ma ora ha una discussione. Estrai di nuovo la lancia e rompi le stalattiti: il percorso è libero, resta da prendere l'elemento combustibile che giace sul tavolo.

Cella a combustibile n. 3 - Limite del maestro (Quest del limite del maestro)

Stiamo andando a nord. Durante la missione della storia, Master's Reach, Aloy esplora le gigantesche rovine dei Precursori. Nascosta al dodicesimo livello delle rovine c'è un'altra cella a combustibile.

Devi non solo salire al livello superiore delle rovine, ma anche salire un po' più in alto. Sali sulla parte sopravvissuta dell'edificio finché non ti trovi su una piccola piattaforma aperta a tutti i venti.

È qui che si trova la terza cella a combustibile. Resta da scendere.

Cella a combustibile n. 4 - Tesoro della morte (attività Tesoro della morte)

Anche questo elemento combustibile è nascosto nella parte settentrionale della mappa, ma è molto più vicino alle terre della tribù Nora. Anche Aloy arriverà qui durante il passaggio della missione della storia.

Per raggiungere l'elemento, Aloy deve ripristinare l'alimentazione alla porta sigillata situata al terzo livello del luogo.

Per fare ciò, devi risolvere un piccolo enigma: ci sono due blocchi di quattro regolatori al livello sotto la porta.

In primo luogo, affrontiamo il blocco sinistro dei regolatori. La prima manopola dovrebbe "guardare" in alto, la seconda "a destra", la terza "a sinistra", la quarta "in basso".

Passiamo al blocco di destra. Non si toccano i primi due regolatori, il terzo e il quarto regolatore dovrebbero guardare "in basso".

Saliamo di un livello: ecco l'ultimo blocco di regolatori. L'ordine corretto è: su, giù, sinistra, destra.

Se fai tutto bene, tutti i controlli cambieranno colore in turchese, l'alimentazione verrà ripristinata. Tornate alla porta e apritela: è un'altra cella a combustibile.

Fuel Cell #5 - GAIA Prime (quest Fallen Mountain)

Infine, l'ultima cella a combustibile - e di nuovo il compito della trama. Aloy si reca alle rovine di GAEA Prime.

Prestare particolare attenzione quando si arriva al terzo livello. Ad un certo punto, ci sarà un abisso attraente davanti ad Ala, in cui puoi scendere su una corda - vai lì non c'è bisogno.

È meglio girare a sinistra ed esplorare la grotta nascosta, puoi entrarci se scendi con attenzione lungo il fianco della montagna.

Entra e vai avanti fino alla fine. Nell'ultima stanza a destra ci sarà un rack con l'ultima cella a combustibile. Ce l'hai fatta!

Ci dirigiamo verso l'Antico Arsenale

Resta da tornare all'Antico Arsenale e ricevere una meritata ricompensa. Ricordi le coordinate dell'arsenale? In caso contrario, ecco la mappa.

Scendi e inserisci le celle a combustibile nelle celle vuote. I regolatori sono in fiamme, ora devi risolvere il puzzle per aprire la porta.

La prima manopola dovrebbe guardare in alto, la seconda a destra, la terza in basso, la quarta a sinistra, la quinta in alto. Fatto, la porta è aperta, ma non è ancora finita.

Ora devi sbloccare i supporti dell'armatura, un altro puzzle del regolatore in cui le restanti celle a combustibile torneranno utili. Qui la prima manopola dovrebbe guardare a destra, la seconda a sinistra, la terza in alto, la quarta a destra, la quinta a sinistra.

Finalmente, dopo tutto questo tormento, ti sei impossessato dell'antica armatura. Questo è lo Shield Weaver, un equipaggiamento molto interessante che rende Aloy praticamente invulnerabile per un po'.

La cosa principale è monitorare attentamente il colore dell'armatura: se lampeggia in bianco, allora tutto è in ordine. Se rosso, non c'è più protezione.

Sono gestiti da veicoli spaziali della National Aeronautics and Space Administration (NASA) degli Stati Uniti. Forniscono energia ai computer della First National Bank di Omaha. Sono utilizzati su alcuni autobus pubblici urbani a Chicago.

Queste sono tutte pile a combustibile. Le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che generano elettricità senza un processo di combustione, con mezzi chimici, proprio come le batterie. L'unica differenza è che usano diversi sostanze chimiche, idrogeno e ossigeno e il prodotto della reazione chimica è l'acqua. Può essere utilizzato anche gas naturale ma, ovviamente, un certo livello di emissioni di anidride carbonica è inevitabile quando si utilizzano combustibili a base di idrocarburi.

Poiché le celle a combustibile possono funzionare ad alta efficienza e senza emissioni nocive, sono molto promettenti come fonte di energia sostenibile che aiuterà a ridurre le emissioni di gas serra e altri inquinanti. Il principale ostacolo all'uso diffuso delle celle a combustibile è il loro costo elevato rispetto ad altri dispositivi che generano elettricità o azionano veicoli.

Storia dello sviluppo

Le prime celle a combustibile furono dimostrate da Sir William Groves nel 1839. Groves dimostrò che il processo di elettrolisi - la scissione dell'acqua in idrogeno e ossigeno sotto l'azione di una corrente elettrica - è reversibile. Cioè, idrogeno e ossigeno possono essere combinati chimicamente per formare elettricità.

Dopo che questo è stato dimostrato, molti scienziati si sono precipitati a studiare le celle a combustibile con diligenza, ma l'invenzione del motore a combustione interna e lo sviluppo dell'infrastruttura per l'estrazione delle riserve di petrolio nella seconda metà del diciannovesimo secolo hanno lasciato molto indietro lo sviluppo delle celle a combustibile. Ancora più vincolato lo sviluppo delle celle a combustibile il loro alto costo.

L'impennata nello sviluppo delle celle a combustibile arrivò negli anni '50, quando la NASA si rivolse a loro in relazione alla necessità di un generatore elettrico compatto per i voli spaziali. Sono stati investiti fondi adeguati e, di conseguenza, sono stati effettuati voli Apollo e Gemini su celle a combustibile. I veicoli spaziali funzionano anche con celle a combustibile.

Le celle a combustibile sono ancora in gran parte una tecnologia sperimentale, ma diverse aziende le stanno già vendendo sul mercato commerciale. Solo negli ultimi quasi dieci anni, sono stati compiuti progressi significativi nella tecnologia commerciale delle celle a combustibile.

Come funziona una pila a combustibile

Le celle a combustibile sono come le batterie: generano elettricità attraverso una reazione chimica. Al contrario, i motori a combustione interna bruciano carburante e quindi generano calore, che viene poi convertito in energia meccanica. A meno che il calore dei gas di scarico non venga utilizzato in qualche modo (ad esempio per il riscaldamento o il condizionamento), si può dire che l'efficienza di un motore a combustione interna è piuttosto bassa. Ad esempio, si prevede che l'efficienza delle celle a combustibile quando utilizzate in un veicolo - un progetto attualmente in fase di sviluppo - sarà più del doppio dell'efficienza dei tipici motori a benzina odierni utilizzati nelle automobili.

Sebbene sia le batterie che le celle a combustibile generino elettricità chimicamente, svolgono due funzioni molto diverse. Le batterie sono dispositivi di immagazzinamento di energia: l'elettricità che generano è il risultato di una reazione chimica della materia già al loro interno. Le celle a combustibile non immagazzinano energia, ma convertono parte dell'energia da un combustibile fornito esternamente in elettricità. Da questo punto di vista, una cella a combustibile è più simile a una centrale elettrica convenzionale.

Esistono diversi tipi di celle a combustibile. La cella a combustibile più semplice è costituita da una membrana speciale nota come elettrolita. Gli elettrodi in polvere vengono depositati su entrambi i lati della membrana. Questo design - un elettrolita circondato da due elettrodi - è un elemento separato. L'idrogeno scorre da un lato (anodo) e l'ossigeno (aria) dall'altro (catodo). Ogni elettrodo ha una reazione chimica diversa.

All'anodo, l'idrogeno si scompone in una miscela di protoni ed elettroni. In alcune celle a combustibile, gli elettrodi sono circondati da un catalizzatore, solitamente costituito da platino o altri metalli nobili, che favorisce la reazione di dissociazione:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = molecola di idrogeno biatomico, forma, in

in cui l'idrogeno è presente come gas;

H+ = idrogeno ionizzato, cioè protone;

e- = elettrone.

Il funzionamento di una cella a combustibile si basa sul fatto che l'elettrolita fa passare i protoni attraverso se stesso (verso il catodo), ma gli elettroni no. Gli elettroni si muovono verso il catodo lungo il circuito conduttore esterno. Questo movimento di elettroni è una corrente elettrica che può essere utilizzata per alimentare un dispositivo esterno collegato alla cella a combustibile, come un motore elettrico o una lampadina. Questo dispositivo viene comunemente chiamato "carico".

Sul lato catodico della cella a combustibile, i protoni (che sono passati attraverso l'elettrolita) e gli elettroni (che sono passati attraverso il carico esterno) si "ricombinano" e reagiscono con l'ossigeno fornito al catodo per formare acqua, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

La reazione complessiva nella cella a combustibile è scritta come:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Nel loro lavoro, le celle a combustibile utilizzano l'idrogeno e l'ossigeno dall'aria. L'idrogeno può essere fornito direttamente o separandolo da una fonte di combustibile esterna come gas naturale, benzina o metanolo. Nel caso di una fonte esterna, deve essere convertito chimicamente per estrarre l'idrogeno. Questo processo è chiamato "riforma". L'idrogeno può essere ottenuto anche dall'ammoniaca, da fonti alternative come il gas proveniente dalle discariche cittadine e dagli impianti di trattamento delle acque reflue e dall'elettrolisi dell'acqua, che utilizza l'elettricità per decomporre l'acqua in idrogeno e ossigeno. Attualmente, la maggior parte delle tecnologie delle celle a combustibile utilizzate nei trasporti utilizzano metanolo.

Sono stati sviluppati vari mezzi per riformare il carburante per produrre idrogeno per le celle a combustibile. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha sviluppato un impianto di alimentazione all'interno di un riformatore di benzina per fornire idrogeno a una cella a combustibile autonoma. I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory negli Stati Uniti hanno dimostrato un riformatore di carburante compatto che è un decimo delle dimensioni di un alimentatore. L'utility statunitense, la Northwest Power Systems e il Sandia National Laboratory hanno dimostrato un riformatore di carburante che converte il carburante diesel in idrogeno per le celle a combustibile.

Singolarmente, le celle a combustibile producono circa 0,7-1,0 volt ciascuna. Per aumentare la tensione, gli elementi sono assemblati in una "cascata", cioè connessione seriale. Per creare più corrente, gli insiemi di elementi a cascata sono collegati in parallelo. Se si combinano cascate di celle a combustibile con un impianto di alimentazione, un sistema di alimentazione e raffreddamento dell'aria e un sistema di controllo, si ottiene un motore a celle a combustibile. Questo motore può alimentare un veicolo, una centrale elettrica fissa o un generatore elettrico portatile6. I motori a celle a combustibile sono disponibili in una varietà di dimensioni a seconda dell'applicazione, del tipo di celle a combustibile e del carburante utilizzato. Ad esempio, ciascuna delle quattro centrali elettriche fisse da 200 kW installate presso la banca di Omaha ha all'incirca le dimensioni di un rimorchio per camion.

Applicazioni

Le celle a combustibile possono essere utilizzate sia in dispositivi fissi che mobili. In risposta all'inasprimento delle normative statunitensi sulle emissioni, le case automobilistiche tra cui DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda e Nissan hanno sperimentato e dimostrato veicoli a celle a combustibile. I primi veicoli commerciali a celle a combustibile dovrebbero entrare in circolazione nel 2004 o nel 2005.

Una pietra miliare nella storia della tecnologia delle celle a combustibile è stata la dimostrazione del giugno 1993 dell'autobus urbano sperimentale da 32 piedi di Ballard Power System con un motore a celle a combustibile a idrogeno da 90 kilowatt. Da allora, molti tipi diversi e diverse generazioni di veicoli passeggeri a celle a combustibile alimentati da tipi diversi carburante. Dalla fine del 1996, tre golf cart alimentati a celle a combustibile a idrogeno sono stati utilizzati a Palm Desert in California. Sulle strade di Chicago, Illinois; Vancouver, Colombia britannica; e Oslo, in Norvegia, stanno testando autobus urbani a celle a combustibile. I taxi a celle a combustibile alcaline vengono testati per le strade di Londra.

Vengono anche dimostrate installazioni fisse che utilizzano la tecnologia delle celle a combustibile, ma queste non sono ancora ampiamente utilizzate commercialmente. La First National Bank of Omaha in Nebraska utilizza un sistema a celle a combustibile per alimentare i computer perché il sistema è più affidabile del vecchio sistema di rete con batteria di riserva. Il più grande sistema commerciale di celle a combustibile da 1,2 MW al mondo sarà presto installato presso un centro postale in Alaska. Vengono testati e dimostrati anche laptop a celle a combustibile, sistemi di controllo utilizzati negli impianti di trattamento delle acque reflue e distributori automatici.

"Pro e contro"

Le celle a combustibile hanno una serie di vantaggi. Mentre l'efficienza dei moderni motori a combustione interna è solo del 12-15%, per le celle a combustibile questo coefficiente è del 50%. L'efficienza delle celle a combustibile può rimanere abbastanza alto livello, anche quando non vengono utilizzati alla massima potenza nominale, il che rappresenta un grande vantaggio rispetto ai motori a benzina.

La natura modulare del design delle celle a combustibile significa che la capacità di una centrale elettrica a celle a combustibile può essere aumentata semplicemente aggiungendo alcuni stadi in più. Ciò garantisce che il fattore di sottoutilizzo della capacità sia ridotto al minimo, consentendo una migliore corrispondenza tra domanda e offerta. Poiché l'efficienza di uno stack di celle a combustibile è determinata dalle prestazioni delle singole celle, le piccole centrali elettriche a celle a combustibile funzionano con la stessa efficienza di quelle grandi. Inoltre, il calore di scarto dei sistemi fissi di celle a combustibile può essere utilizzato per l'acqua e il riscaldamento degli ambienti, aumentando ulteriormente l'efficienza energetica.

Quando si utilizzano celle a combustibile, non ci sono praticamente emissioni nocive. Quando il motore funziona con idrogeno puro, come sottoprodotti si formano solo calore e vapore acqueo puro. Quindi, sui veicoli spaziali, gli astronauti bevono acqua, che si forma a seguito del funzionamento delle celle a combustibile a bordo. La composizione delle emissioni dipende dalla natura della fonte di idrogeno. L'uso del metanolo comporta zero emissioni di ossidi di azoto e monossido di carbonio e solo piccole emissioni di idrocarburi. Le emissioni aumentano man mano che si passa dall'idrogeno al metanolo alla benzina, sebbene anche con la benzina le emissioni rimarranno piuttosto basse. In ogni caso, la sostituzione degli odierni motori a combustione interna tradizionali con celle a combustibile comporterebbe una riduzione complessiva delle emissioni di CO2 e NOx.

L'uso delle celle a combustibile fornisce la flessibilità dell'infrastruttura energetica, creando ulteriori opportunità per la produzione di energia decentralizzata. La molteplicità delle fonti energetiche decentralizzate consente di ridurre le perdite di trasmissione e di sviluppare i mercati di vendita dell'energia (cosa particolarmente importante per le aree remote e rurali dove non c'è accesso alle linee elettriche). Con l'aiuto delle celle a combustibile, singoli residenti o quartieri possono fornirsi la maggior parte dell'elettricità e quindi aumentare notevolmente l'efficienza del suo utilizzo.

Le celle a combustibile offrono energia di alta qualità e maggiore affidabilità. Sono durevoli, non hanno parti mobili e producono una quantità costante di energia.

Tuttavia, la tecnologia delle celle a combustibile deve essere ulteriormente migliorata per migliorare le prestazioni, ridurre i costi e quindi rendere le celle a combustibile competitive con altre tecnologie energetiche. Va notato che quando si considerano le caratteristiche di costo delle tecnologie energetiche, i confronti dovrebbero essere effettuati sulla base di tutte le componenti delle caratteristiche tecnologiche, inclusi i costi operativi di capitale, le emissioni inquinanti, la qualità dell'energia, la durabilità, la disattivazione e la flessibilità.

Sebbene l'idrogeno gassoso sia il miglior combustibile, l'infrastruttura o la base di trasporto per esso non esiste ancora. A breve termine, i sistemi di approvvigionamento di combustibili fossili esistenti (stazioni di servizio, ecc.) potrebbero essere utilizzati per fornire alle centrali elettriche fonti di idrogeno sotto forma di benzina, metanolo o gas naturale. Ciò eliminerebbe la necessità di stazioni di rifornimento di idrogeno dedicate, ma richiederebbe che ogni veicolo sia dotato di un convertitore da combustibile fossile a idrogeno ("reformer"). Lo svantaggio di questo approccio è che utilizza combustibili fossili e quindi si traduce in emissioni di anidride carbonica. Il metanolo, attualmente il candidato principale, produce meno emissioni della benzina, ma richiederebbe un serbatoio più grande in un'auto perché occupa il doppio dello spazio a parità di contenuto energetico.

A differenza dei sistemi di approvvigionamento di combustibili fossili, i sistemi solari ed eolici (che utilizzano elettricità per creare idrogeno e ossigeno dall'acqua) e i sistemi di fotoconversione diretta (che utilizzano materiali semiconduttori o enzimi per produrre idrogeno) potrebbero fornire idrogeno senza una fase di reforming, e quindi, in questo modo, le emissioni di sostanze nocive, che si osservano quando si utilizzano celle a combustibile a metanolo o benzina, potrebbero essere evitate. L'idrogeno potrebbe essere immagazzinato e convertito in elettricità nella cella a combustibile secondo necessità. Andando avanti, è probabile che collegare le celle a combustibile a questo tipo di fonti di energia rinnovabile sia una strategia efficace per fornire una fonte di energia produttiva, ecologica e versatile.

Le raccomandazioni IEER sono locali e autorità federali, così come i governi statali, hanno stanziato parte dei loro budget di approvvigionamento per il trasporto su veicoli a celle a combustibile, nonché a sistemi stazionari sulle celle a combustibile per fornire calore ed elettricità ad alcuni dei suoi edifici significativi o nuovi. Ciò contribuirà allo sviluppo di tecnologie vitali e ridurrà le emissioni di gas serra.