Capitolul 9 - Prezentare istorică a celulelor de combustibil

Sir William Growe (1811-1896), fizician englez, a efectuat mai multe experimente privind electroliza încă din secolul al XIX-lea. În 1839, în timp ce experimenta, și-a dat seama că electroliza este un proces reversibil. Folosind doi electrozi, el a condus o soluție care conține hidrogen la una, o soluție care conține oxigen la cealaltă și a măsurat tensiunea dintre electrozi. Sir William Growe a intenționat ca rezultatele cercetărilor sale privind celula de combustibil să rivalizeze cu motorul cu aburi.

În 1889, Charles Langer și Ludvig Mondd au dezvoltat în continuare celula de combustibil descoperită de Growe.

În anii 1930, Francis Bacon a dezvoltat în continuare o procedură anterioară de către Langer și Mond, iar în 1932 a introdus o celulă electrolitică alcalină de electrod de nichel.

În anii 1950, a descoperit celula de combustie cu membrană de schimb de protoni sub numele de General Electric.

În 1959, Bacon a operat o unitate de 5 kW, iar în același an Harry Karl Ihrig a introdus un tractor alimentat cu pilă de combustibil de 15 kW.

În anii 60, NASA folosise deja celula de combustibil ca dispozitiv portabil în programele sale spațiale.

În anii 1970, cercetările din domeniul celulelor de combustibil s-au intensificat și mai mult ca urmare a crizei petrolului care s-a desfășurat în acel moment.

În anii ’80, marina SUA folosea celule de combustibil pentru alimentarea submarinelor.

În anii 1990, au apărut celule mari de combustibil staționare pentru uz industrial și comercial.

În 2007, au apărut pilele de combustibil care au servit ca sursă de energie neîntreruptibilă în dispozitivele comerciale.

În 2008, Honda a lansat o mașină cu celule de combustibil numită FCX Clarity.

În 2009, din ce în ce mai multe electrocasnice portabile vor avea la dispoziție o baterie cu pilă de combustibil.

9.1. Avem și o celulă de combustibil?

O celulă de combustibil este o sursă de energie care generează electricitate din energie chimică printr-o reacție redox. Hidrogenul este oxidat la anod, în timpul căruia este eliberat electronul, care trece prin circuitul extern către catod, generând astfel curent electric și efectuând lucrări electrice. Între timp, reducerea are loc la catod, unde oxigenul, un ion hidrogen pozitiv și un electron se combină pentru a deveni apă. Descompunerea hidrogenului gazos folosit ca combustibil în ioni și electroni este realizată de un catalizator. De exemplu, platina poate fi utilizată ca electrod anodic și nichelul ca catod. Transferul ionilor de hidrogen încărcați pozitiv de la anod la catod este asigurat de electrolitul dintre cei doi electrozi, care transmite numai ionii, nu electronii.

Materialul electrozilor nu este consumat sau transformat în timpul funcționării. Reacția chimică poate fi menținută atâta timp cât combustibilii gazoși sau lichizi sunt introduși în electrozi.

Beneficiile utilizării unei celule de combustibil au fost deja demonstrate în anii 1960, ca parte a programului Apollo al NASA:

nu conține piese în mișcare

insensibil la radiațiile cosmice cu efecte sporite în spațiu

insensibil la modificările gravitației și fluctuațiilor de temperatură

greutate redusă, dimensiuni mici

hidrogenul și oxigenul necesar funcționării celulei de combustibil se găsesc pe nava spațială ca propulsor

Furnizarea de hidrogen este esențială pentru funcționarea celulei de combustibil, deoarece oxigenul este disponibil oriunde în atmosferă.

Hidrogenul este produs din hidrocarburi de către reformatorii de abur din industrie, deoarece este de cca. Poate funcționa la o eficiență de 80% în cazul în care hidrocarburile pure, de ex. se folosesc gaze naturale sau metan. La temperaturi ridicate, cca. 700-1100 ° C, vaporii de apă reacționează endoterm cu metanul, rezultând formarea de monoxid de carbon și hidrogen. Printr-o reacție suplimentară, la o temperatură mai scăzută decât reacția anterioară, cca. 130 ° C, monoxidul de carbon format anterior reacționează cu vaporii de apă. Ca urmare a acestui proces exoterm, se poate produce hidrogen suplimentar odată cu emisia de dioxid de carbon.

Un punct critic în procesul de producere a hidrogenului este tratarea dioxidului de carbon generat în timpul reacției, deoarece eliberarea dioxidului de carbon în mediu ar fi indirect, dar ar priva vehiculele care utilizează hidrogen de calitatea sa ecologică. Deoarece hidrogenul este produs într-o fabrică, este teoretic posibil să se separe dioxidul de carbon, să se injecteze dioxidul de carbon în rezervoarele de petrol sau gaz, dar acest proces de stocare a carbonului nu s-a extins încă, cercetările sunt în curs în acest domeniu.

Din aceste motive, în loc de hidrogen, mai mulți cercetători, precum György Oláh și colab., Cercetează producția de alcool metilic și derivații săi ca purtători de energie și utilizarea lor în celulele de combustibil. Pe lângă beneficiile unui combustibil lichid sigur, este, de asemenea, un avantaj fundamental faptul că alcoolul metilic (și derivații săi) pot fi produși din dioxid de carbon. Din punct de vedere al mediului, reducerea încălzirii globale cauzate de dioxidul de carbon este un cost imens la nivel mondial. Printre altele, acest factor evidențiază posibilitatea utilizării dioxidului de carbon ca materie primă.

9.2. Aspectul maghiar al dezvoltării pilelor de combustibil

Când discutăm despre celulele de combustibil, consider că este important să menționez profesorul câștigător al Premiului Nobel György Oláh de la Loker Hydrocarbon Research Institute, Universitatea din California de Sud, care a primit Premiul Nobel în 1994 pentru realizările sale în cercetarea sa în chimia carbonului. György Oláh se ocupă de dezvoltarea pilelor de combustibil cu metanol. Combustibilul, metanolul, este extras din gazele naturale.